CC BY
27
Серия «Науки о Земле» 2009. Том 1, № 1. С. 12-24
Онлайн-доступ к журналу: http://isu.ru/izvestia
Иркутского
государственного
университета
И З В Е С Т И Я
УДК 551.510. 42
Моделирование распределения антропогенных примесей в атмосфере крупных городов Монголии (Улан-Батор, Дархан)
В. К. Аргучинцев (arg@math.isu.ru) , А. В. Аргучинцева (arg@math.isu.ru), Л. В. Убонова
Аннотация. Моделируется загрязнение городской среды антропогенными источниками с учетом климатических особенностей рассматриваемой местности. Обсуждаются возникающие проблемы. Предлагаются пути улучшения экологической обстановки в городах Монголии.
Ключевые слова: моделирование, загрязнение, атмосфера, юрты, печное отопление, тепловые электростанции.
Введение
Крупные города Монголии характеризуются высоким уровнем загрязнения воздушного бассейна продуктами сгорания. Самый ощутимый вклад в загрязнение атмосферы городов вносят домовые печи (в юртовой части), тепловые электростанции, котельные, промышленные предприятия. В результате процессов горения в воздух поступает большое количество твердых и газообразных отходов. Наиболее распространенными выбросами являются оксиды серы и азота (IV), пыль, оксид углерода (II), а также зола. В последние годы концентрации загрязняющих веществ в атмосфере городов Монголии увеличились в несколько раз. Это связано с развитием предприятий топливно-энергетической, горнодобывающей и горно-обогатительной промышленностей, а также промышленности строительных материалов и других отраслей.
Основные источники загрязнения окружающей среды. Сложившаяся неблагоприятная экологическая ситуация в городах Монголии, в первую очередь в Улан-Баторе - столице и самом большом городе страны, обусловлена интенсивной миграцией сельского населения, проживающего в городских условиях по-прежнему в традиционных юртах. Сегодня в Улан-Баторе проживает 1/3 часть всего населения страны (около 900 тыс. чел.) [5] и численность населения столицы продолжает стремительно расти.
В Улан-Баторе насчитывается свыше 134 тыс. юрт [3], которые занимают более половины территории столицы и являются главными источниками загрязнения воздушного бассейна. Для отопления юрт используются
печи-«буржуйки» с трубами высотой в три метра от поверхности Земли. Конструкция юрточных печей крайне несовершенна. Кроме того, в качестве топлива население использует низкосортный уголь, в некоторых случаях опилки, навоз и пр. Несовершенная конструкция печей и низкое качество топлива приводят к неполному его сгоранию и повышенному расходу, что, в свою очередь, увеличивает загрязнение атмосферного воздуха. За отопительный сезон жители юрт в Улан-Баторе сжигают до 572 тыс. т, как правило, низкокачественного угля и 700 тыс. м3 дров [3]. Юртовая часть города является источником почти всех видов загрязнения: химического, биологического, механического, шумового, органического, теплового.
В Улан-Баторе функционируют три крупные тепловые электростанции. Самая крупная из них - ТЭЦ-3 потребляет около 3,5 млн т угля в год. Кроме того, на территории города работают более 400 отопительных печей пониженного давления, которые используют 1,3 млн т низкокачественного топлива в год, поставляя в атмосферу отходы без предварительной очистки. Ежегодно все теплоэнергетические источники Улан-Батора вместе потребляют около 5,2 млн т угля и выбрасывают в атмосферу около 200 типов различных веществ [3].
Выбросы юртовой части, ТЭЦ, котельных значительно снижают прозрачность атмосферы, особенно в зимнее время из-за скопления продуктов конденсации в виде капель или кристаллов, взвешенных над поверхностью Земли, приводя к интенсивным смоговым ситуациям лондонского типа не только в самом городе, но и в таком стратегически важном районе, как аэропорт Буянт-Ухаа, расположенном в 17 км от столицы. Кроме того, в непосредственной близости от аэропорта (не более двух километров) расположены юртовые поселки, выбросы от печных труб которых вносят существенный вклад в риск работы авиации.
Расположение столицы в обрамлении горных отрогов в сочетании с неблагоприятными метеорологическими факторами создают условия для накопления загрязняющих веществ в атмосфере и не позволяют воздушным потокам эффективно их удалять. В результате этого наблюдаются повышенные содержания многих вредных веществ в воздухе над Улан-Батором, при этом концентрация их в несколько раз выше по сравнению с соседними городами. По данным наблюдений в Улан-Баторе среднегодовая концентрация оксида серы (IV) превышает ПДК в 1,6 раз, пыли - в 4 раза, оксида азота (IV) - в 1,5 раза (в других городах в пределах ПДК). В зимнее время в Улан-Баторе максимальные разовые концентрации пыли превышают ПДК в 10-16 раз [4].
Вторым городом по величине и индустриальному значению Монголии является Дархан, который расположен на севере страны в долине р. Хараа. Численность населения Дархана около 85 тыс. чел. (на конец 2000 г.), из них 80 % населения проживают в центре города [2].
Одним из основных источников загрязнения Дархана является ТЭЦ, при эксплуатации которой в воздушную среду города ежегодно поступает большое количество разнообразных опасных веществ. Дарханская ТЭЦ
является одной из самых мощных теплоэлектростанций, расположенных на территории Монголии, а так как количество юрт в городе насчитывает около 7000, то по сравнению с ТЭЦ и Улан-Батором их выбросы менее значительны. В среднем за год на ТЭЦ сжигается 340 тыс. т угля, при этом в атмосферный воздух поступает около 4,5 тыс. т золы, 1,6 тыс. т угарного газа, 2,4 тыс. т оксидов азота (IV) и 3,2 тыс. т диоксида серы (IV) [7].
Таким образом, в последние годы в крупных городах Монголии (Улан-Баторе, Дархане) вследствие развития топливно-энергетической промышленности и увеличения жилой застройки (юртовая часть) возникла опасность поступления в атмосферный воздух значительных концентраций загрязняющих веществ, что в условиях особенностей климата и рельефа Монголии способствует созданию крайне неблагоприятной экологической ситуацию. Поэтому с целью оценки распределения антропогенных примесей с учетом климатических особенностей крупных городов Монголии в работе используется математическое моделирование, которое при отсутствии детальных стационарных наблюдений является наиболее эффективным.
Анализ климатической информации
Климат Монголии, вследствие удаленности страны от океанов и влияния горного рельефа, резко континентальный с суровой и долгой зимой, сравнительно теплым летом, резкими колебаниями температур, как суточных, так и сезонных. В климате Монголии большую роль играет зимний антициклон, центр которого располагается у северной окраины страны. Антициклон сопровождается нисходящими движениями воздуха, мощными приземными температурными инверсиями, слабыми ветрами, застоями воздуха. В городах Монголии суммарная повторяемость приземных инверсий очень велика (с января по март в ночные и утренние часы составляет около 90 %). Практически постоянно инверсии сопровождаются слабыми ветрами, повторяемость которых в нижнем слое атмосферы в течение года составляет от 45 до 55 % [8]. Максимум их повторяемости приходится на декабрь-январь; с февраля повторяемость инверсий начинает уменьшаться, достигая минимальных значений в июне-июле. В зимний период приземные инверсии наблюдаются при скоростях ветра у земли от 0 до 1 м/с, в весенний - от 2 до 5 м/с. Концентрации вредных веществ в атмосфере городов при слабом ветре увеличиваются на 50-140 %.
В Улан-Баторе среднегодовая температура воздуха - 0,6 °С. Самый холодный месяц - январь (средняя температура -24,5 °С), самый теплый -июль (средняя температура 19,4 °С). Температуры воздуха от месяца к месяцу внутри летнего и зимнего сезона изменяются незначительно (на 2-3 °С). Самые большие изменения температуры от месяца к месяцу отмечаются в переходные сезоны. Атмосферных осадков выпадает немного, в среднем 230-250 мм в год, и в основном в летние месяцы. Зимой осадки незначительны, только в отдельные годы снежный покров (не более 15 см) бывает устойчивым в южной части города, северная же его часть практически
бесснежна. Самое сухое время года - весна, она характеризуется сильными ветрами, бурями, малой относительной влажностью (42 %, тогда как среднегодовая относительная влажность равна 55-60 %) и скудными осадками. С июня наступает безморозный период, который в среднем продолжается почти три месяца. Дождливый период продолжается с апреля по октябрь (в среднем 50-60 суток в году) [6].
Преобладающими ветрами в летний период являются ветры северозападного и северного направлений, в зимний период - юго-восточного. Под влиянием местных физико-географических условий режим ветра в разных частях города существенно различается. Так, в районе аэропорта Буянт-Ухаа средняя за год скорость ветра составляет 2,4 м/с, тогда как на станциях Улан-Батор и МУИС средние скорости равны 1,8 и 1,1 м/с соответственно.
По данным наблюдений в г. Улан-Батор (метеостанции: К - МУИС, иВ - Улан-Батор, Ви - Буянт-Ухаа) число часов со штилем в декабре-январе колеблется от 690 до 695, т. е. штилевую ситуацию отмечают более чем в 93 % случаев в месяц, а редкие ветры не превышают по модулю 2 м/с.
Слабый ветер препятствует обменным процессам в приземном слое атмосферы, в результате чего концентрация вредных примесей в воздухе повышается. Летом в Улан-Баторе хорошо выражена горно-долинная циркуляция, которая выполняет роль метеорологического вентилятора, приносящего чистый воздух с гор.
Климат Дархана резко континентальный, очень суровый и аридный. Среднегодовая температура воздуха на территории Дархана составляет -1,9 °С. В годовом ходе самым холодным месяцем является январь, средняя температура -24,3 °С, самым жарким - июль, средняя температура 20,5 °С. Теплый период (температура выше 0 °С) в году длится от 80 до 130 суток.
За последние 14 лет в Дархане выпадало в среднем 260 мм осадков в год. Это меньше, чем в соседних аймаках на 10-15 %, Улан-Баторе - на 15-20 % и меньше среднего значения количества осадков страны на 23 мм. Самые дождливые месяцы - июль и август. На холодный период (с октября по апрель) приходится 15,6 % всех осадков, а на теплый период (с мая по сентябрь) - 84,4 %. Зимние осадки в Дархане ничтожны, толщина снежного покрова достигает 5-10 см, только в отдельные годы снежный покров бывает устойчивым.
Среднегодовая скорость ветра на территории Дархана составляет от 1,8 до 2 м/с. Наименьшие скорости ветра посты наблюдений отмечают зимой (не превышают 2 м/с), а наибольшие - в весенние и осенние месяцы, особенно весной - от 25 до 30 м/с.
В зимний период над территорией города преобладает антициклон, и в это время наблюдается наибольшее количество штилей - 77 % в январе. Над территорией г. Дархан преобладают ветры северного направления (30 %). Ветры южного, северо-восточного и северо-западного направлений наблюдаются реже. Наименьшая повторяемость характерна для югозападных ветров. Режим ветра различен в зимний и летний периоды. В
январе увеличивается частота южного ветра, достигая 29 %. Доминирование южного ветра зимой определяется господством местных южных и юго-восточных ветров, которые направлены в основном вдоль долины р. Хараа.
Максимальный уровень загрязнения атмосферы в крупных городах Монголии связан с неблагоприятными метеорологическими условиями, которые замедляют эффективное рассеивание и способствуют накоплению примесей на приземном уровне.
Исходные данные и методы решения
В качестве входной информации для моделирования использовались данные многолетних наблюдений трех приземных метеорологических станций, ведущих ежедневно восемь измерений в синоптические сроки, и одной аэрологической станции с двухразовыми суточными наблюдениями на изобарических поверхностях от 1000 до 100 мб. Все наблюдения за вектором скорости ветра проводятся в полярной системе координат (направление, скорость). На точки расчетной области метеоданные интерполированы методом оптимальной интерполяции с весовыми функциями расстояния. Полученные данные обработаны с помощью методов математической статистики. На основе полученных результатов построены многомерные функции плотности вероятностей / (р.в) реализации всех ветров за интересуемые многолетние месяцы с использованием гипотезы о нормальном законе распределения вектора скорости ветра, который с достаточным приближением хорошо выполняется для континентальных территорий.
/ (Р,в)=-
1
л/ї—і
-єхр^
Ро
2(1 - г2)
008 во Г 8ІП в,
л
аи
008 во +
(
+
8ІП во Г 008 во
а.
Л 1 Г (
8ІП во у _ . Ро Р
1 - Г 2 _ч
008 в Г 8ІП в
008 во +
+
8ІП в Г 008 в
а...
\
8ІП во
Р
2(1 - Г2)
008 в Г 8ІП в
аи
\
008 в +
+
8ІП в Г 008 в
а
\
аиаV у
8ІП в
(1)
= л/й
2 2
где Р = Ы и + V
ро =-\1 и2 + V2 - соответственно наблюдаемый и осред-
ненный модуль вектора с компонентами и и V, являющимися проекциями вектора скорости ветра V соответственно на оси ОХ и ОУ локальной декартовой прямоугольной системы координат; причем и = р008в,
2
аиаV
аиаV
аиау
аuаv
V = р sin в, и = po cos в0, V = po sin в0, в, в0 - полярные углы. По найденным дифференциальным функциям распределения (1) построены интегральные функции распределения вектора скорости ветра
uk 2п і /
F (Р,в) =Í J -Пехр Г Z2P + LlP- Lo
n n 2nL
где L = Ou^v^j 1 - r2 ,
T 1 ^ 2 — 2 O ---, 2 —2 \
Lo = 2^^ V - 2r °u°vu V + Ov u )’
L1 = L U - r OuOvV) C0s в + °1 2 - r OuOvU) sin в] ,
L2 = —1(oU sin 2 в - 2r ouoV sin в cos в + o2 cos 2 в), (2)
uk - тот критический модуль вектора скорости ветра, при превышении которого невозможно превышение предельной допустимой концентрации примеси, выбрасываемой источником. Внешний интеграл в (2) берется аналитически, внутренний - численно.
Кроме того, использовались инвентаризационные данные о параметрах источников антропогенных выбросов: интенсивности (мощности), начальной скорости выброса, радиусе и высоте труб, температуре выбрасываемой газовоздушной смеси, координаты относительного размещения источников.
Результаты численных экспериментов для г. Улан-Батор
На основе модели [1] рассчитаны вероятностные характеристики области загрязнения атмосферы от антропогенных источников, определены зоны превышения ПДК и их размеры.
На рис. 1 представлено относительное расположение 860 юрт в Улан-Баторе, образующих фактически площадный источник.
Приведены расчеты повторяемости превышения ПДК пыли в Улан-Баторе для одного из неблагоприятных для рассеяния примесей месяца (января) (рис. 2, а) и апреля (рис. 2, б), когда циклоническая деятельность атмосферы резко возрастает, несколько улучшая экологическую обстановку в городе. Изолиния 1 оконтуривает область, в которой не менее 48 ч в месяц концентрация пыли превышает установленную ПДК, далее все изолинии проведены с шагом 24 ч (сутки). Как видно, наибольшее загрязнение атмосферного воздуха пылью отмечается в районах сосредоточения юрт, занимающих всю северную часть города и протянувшихся на запад и восток от центра Улан-Батора, где повторяемость повышенных концентраций пыли может достигать 550 ч в январе и 280 ч в апреле.
С
А
1 2 . • .
Рис. 1. Схема расположения юртовых источников г. Улан-Батор:
1 - главная часть города, 2 - реки, 3 - источники
Результаты численных экспериментов для района аэропорта г. Улан-Батор
Зона с высоким уровнем загрязнения воздуха расположена на югозападной окраине г. Улан-Батор, в районе аэропорта Буянт-Ухаа, вблизи которого находится юрточный поселок. Здесь направление ветра и орография местности способствуют переносу выбросов юртового поселка в направлении аэропорта.
Показано, что выбросы в атмосферу при отоплении юрточного поселка приводят к возникновению области устойчивого превышения ПДК пыли в районе аэропорта, при этом наиболее опасный уровень загрязнения возникает с ноября по март (во время отопительного сезона) и достигает своего максимума в декабре (рис. 3). На рисунке изолиния 1 ограничивает область диаметром свыше 2 км, в которой нарушение выбранного критерия (средняя суточная ПДК) будет не менее 72 ч в месяц. Остальные изолинии проведены с шагом 24 ч. Максимальное превышение отмечается в самом поселке и составляет около 500 ч в декабре. Из рисунка видно, что значительная часть взлетно-посадочной полосы длиною около одного километра находится в зоне устойчивого превышения ПДК пыли, при этом максимальное значение превышения ПДК пыли составляет 360 ч в месяц (см. рис. 3). В сочетании с неблагоприятными метеорологическими условиями это означает, что почти полмесяца может возникать сложная взлетно-посадочная ситуация, приводящая к риску и большим финансовым убыткам из-за простоя самолетов.
а
С
б
Рис. 2. Частота превышения средней суточной ПДК пыли в Улан-Баторе: а - в январе, б - в апреле
К
Рис. 3. Частота превышения средней суточной ПДК пыли в декабре в районе аэропорта г. Улан-Батор:
1 - юртовый поселок, 2 - взлетно-посадочная полоса, 3 - река, 4 - дороги
Результаты численных экспериментов для г. Дархан
Для оценки влияния выбросов мощных ТЭЦ были проведены исследования распределения антропогенных примесей на примере г. Дархан. С этой целью была проведена обработка метеорологического материала по ветру и температуре воздуха за 22 года (с 1984 по 2005 гг.). Приведены отдельные результаты расчетов для одного из неблагоприятных для рассеяния примесей месяцев - января (рис. 4, а) и для благоприятных для рассеяния примесей месяцев - апреля и октября (рис. 4, б, в соответственно). На всех рисунках изолиния 1 соответствует 48 ч превышения ПДК в месяц и оконтуривает область, равную 50 км2 в январе, около 38 км2 - в апреле и около 26 км2 - в октябре. Остальные изолинии на рисунках проведены с интервалом 24 ч.
Наиболее опасная зона - это зона вблизи ТЭЦ, где превышение ПДК может достигать почти 530 ч в январе на площади от 2 до 2,5 км2, охватывать три жилых квартала.
Выводы
1. Исследования показали, что значительное загрязнение атмосферного воздуха г. Улан-Батор обусловлено выбросами низких источников (юр-товые печи). Из-за очень низких печных труб, плохого качества топлива, неполного сгорания угля, высокой плотности юрточной застройки, нерационального размещения юрточных районов на территории Улан-Батора и особенностей рельефа местности почти все выбросы остаются в приземном слое атмосферы на уровне дыхания человека.
2. Главным источником загрязнения воздушного бассейна г. Дархан является одна из самых мощных ТЭЦ Монголии.
3. Проведенные расчеты позволяют сделать вывод о необходимости перенесения юртовых поселков в отдаленные от Монгольской столицы районы, что обеспечит улучшение состояния окружающей среды города. В первую очередь, для улучшения видимости в районе аэропорта, стабильной и безопасной работы авиации необходимо перенести юртовый поселок, находящийся вблизи аэропорта.
4. Другим способом снижения уровня загрязнения воздушного бассейна города является прокладка коммуникационных сетей в эти районы, тем самым превращение их в кварталы жилых домов.
5. Также альтернативным методом решения экологической проблемы является использование населением печей новой модификации, потребляющих меньше топлива и соответственно гораздо меньше загрязняющих воздух.
6. Для улучшения общей экологической обстановки в городах необходимо регулярно проводить мероприятия по озеленению городских улиц и строительству парковых зон в черте города (1 га лесонасаждений ежесуточно поглощает 200-280 кг оксида углерода); ужесточить контроль за качеством очистных сооружений и фильтрующего оборудования заводов, котельных и теплоэлектростанций.
В настоящее время представители МНР очень сильно озабочены проблемой загрязнения воздушного бассейна столицы и проводят некоторые мероприятия по улучшению качества городского воздуха путем строительства крупных жилых кварталов, массового озеленения улиц, создания парковых зон. Но эти меры не являются достаточными, и пока существуют традиционные юртовые поселения в городе, проблему вряд ли удастся решить, а ухудшение состояния здоровья населения столицы будет продолжаться.
Исходные данные для моделирования получены при содействии Академии наук и Министерства природы и окружающей среды Монголии.
б
О 1
Рис. 4. Частота превышения ПДК пыли в районе ТЭЦ г. Дархан:
а) в январе, б) в апреле, в) в октябре: 1 - пастбища, 2 - пашни, 3 - жилой район, 4 - р. Орхон, 5 - дорога
Список литературы
1. Моделирование и управление процессами регионального развития / А. В. Аргучинцева [и др.] - М. : Физматлит, 2001. - 431 с.
2. Города-побратимы: г. Дархан : официальный сайт администрации г. Улан-Удэ. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: [http://www.administration. u-ude.ru].
3. Лхагва-Очир Д. Будем жить в масках от смога до 2020 года? // Обзор прессы Монголии. - 2007. - 11 февр. - № 04/77. www.owasia.ru.
4. Сарантуяа Г. Оценка геоэкологической обстановки города Улан-Батора : автореф. дис. ... канд. геогр. наук / Г. Сарантуяа. - Казань, 2005. - 23 с.
5. Столица Монголии // Сайт посольства Монголии в Российской Федерации. http://www.mongolianembassy.ru.
6. Убонова Л. В. Метеорологические условия распределения примесей в атмосфере г. Улан-Батора // Гидроминеральные ресурсы Восточной Сибири : сб. науч. тр. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2005. - С. 53-60.
7. Дарханы Дулааны цахилгаан станцын байгаль орчинд нолоолох байдлын унэлгээ. - Дархан, 2004. - 195 с.
8. Оюун Ж. Дархан-УУл аймаг орчмын цаг агаарын онцлог / Ж. Оюун. -УГТЭШХ-ийн ЭШБ. - 1998. - № 22. - С. 158-160.
Работа выполнена при поддержке гранта ФЦП 2009-1.1-154-069-005 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области географии и гидрологии суши».
Simulation of distribution of anthropogenic impurity in atmosphere of big cities of Mongolia (Ulan-Bator, Darkhan)
V. K. Arguchintsev, A. V. Arguchintseva, L. V. Ubonova
Abstract. Ambient air pollution at a city by anthropogenic sources taking into consideration climatic peculiarities of the area is simulated. Arising problems are discussed. Ways of environmental situation improvement at the cities of Mongolia are proposed.
Keywords: modelling, pollution, atmosphere, yurtas, stove heating, thermal power stations.
Аргучинцев Валерий Куприянович доктор технических наук Иркутский государственный университет 664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1 заведующий кафедрой метеорологии и охраны атмосферы тел.: (395-2) 42-56-84
Убонова Людмила Владимировна Иркутский государственный университет 664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1 старший преподаватель кафедры гидрологии и охраны водных ресурсов тел.: (395-2) 42-67-20
Аргучинцева Алла Вячеславовна доктор технических наук Иркутский государственный университет 664003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1 декан географического факультета тел.: (395-2) 42-56-84
