CC BY
114
О. Ю. Ленская, А. Б. Кулябова
О СПОСОБАХ АНАЛИЗА НЕРЕГУЛЯРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА СОСТАВОМ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
Многие города Челябинской области характеризуются высоким уровнем загрязнения атмосферы в результате деятельности промышленных предприятий. Это обуславливает необходимость постоянного мониторинга состояния воздушного бассейна, который осуществляют органы Росгидромета, а также муниципальные экологические организации.
МОНИТОРИНГ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
В ГОРОДАХ
В настоящее время регулярный мониторинг на стационарных постах отбора проб производится в трех городах нашей области: в Челябинске — на восьми стационарных постах, на пяти — в г. Магнитогорске и на двух — в г. Златоусте. Между тем, существует необходимость контроля состояния атмосферы и в малых городах, где расположены крупные промышленные предприятия, производящие выбросы. Наличие в Челябинском центре по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ЧЦГМС) специализированной автолаборатории «Атмосфера» дает возможность проводить обследования качества воздуха в любом населенном пункте. Так, например, по заказам Администрации области проводятся работы по обследованию качества воздушного бассейна в г. Карабаше на трех маршрутных постах и под факелом ЗАО «Карабашмедь».
Наиболее достоверные сведения о степени загрязнения воздуха в городе могут быть получены путем осуществления полной программы наблюдений на стационарных постах, которая предназначена для определения разовых и среднесуточных концентраций загрязняющих веществ [1; 2]. Наблюдения на маршрутных постах также должны проводиться по полной программе, с определенной регулярностью и в соответствии с руководящими документам, регламентирующим правила отбора проб, [3].
В реальных условиях деятельности ЧЦГМС маршрутный мониторинг состояния атмосферного воздуха в г. Карабаш по объективным причинам производится с недостаточной систематичностью, поэтому полученные данные требуют специальной обработки. В настоящей статье на примере данных маршрутного мониторинга атмосферы г. Карабаша предложены методы обработки результатов нерегулярных наблюдений, с помощью которых возможно получить достоверную информацию об уровне загрязнения атмосферы в тех населенных пунктах, где нет стационарных постов.
ДАННЫЕ И МЕТОДЫ
В работе были использованы данные наблюдений Челябинского ЦГМС за загрязнением атмосферного воздуха г. Карабаш, полученные отделом охраны атмосферного воздуха в 1997-2000 гг. Отборы проб проводились на трех маршрутных постах в различных частях города: пост № 1 — район ул. Красной Звезды (северо-восток города); пост № 2 — район ул. Комсомольской (северо-запад города); пост № 3 — площадь Павших борцов (южная часть города). Данные пред-
ставляют собой таблицы, в которые внесена информация о дате и времени отбора проб, о метеопараметрах в момент отбора проб: температуре, скорости и направлении ветра, об атмосферных явлениях. Отбор проб производился по следующим загрязняющим веществам: пыли, диоксиду серы, оксиду углерода, оксидам азота, фториду водорода, формальдегиду.
О .Б
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
од
БО-,
ПДК5 0?5 мг/м**
ЕЗ ПОСТІ ■ пост2 □ постЗ
ЩЩс = 0,05 мг/м
1,43 и,4 1,35
□,3
),25
0,1
Пыль
3 пост' ■ пост2 □ пост'
ПДК = 0,15 мг/ м3
\
-
— — — - - 0,05 м / м' - — —
е а а а щ и и и и и н к о Н 'А а я к Э О и К И о X
Рис. 1. Изменение среднесуточных концентраций ЗВ по данным маршрутных постов в Карабаше, осень 1998 г.
При анализе данных наблюдений и оценке состояния загрязнения атмосферы используются статистические методы, которые позволяют систематизировать, ранжировать и классифицировать эти данные. Концентрации примесей рассматриваются как совокупности случайных величин, в различные моменты времени принимающие определенные значения. Статистические характеристики дают представление об особенностях рассматриваемого временного ряда данных. Свойства случайных величин наиболее полно описываются плотностью вероятности, которая является функцией случайной переменной. Для идеализирования поведения рассматриваемой величины с целью расчета различных характеристик временного ряда наблюдений необходим выбор функции, которая наилучшим образом описывала бы распределение концентрации примеси. Наиболее часто плотность вероятности случайных величин описывается нормальным законом [1]. Распределение повторяемости концентрации всегда асимметрично, так как концентрации примеси имеют только положительные значения.
Накопленная повторяемость вычисляется для того, чтобы судить о частоте появления концентраций примесей, превышающих данное значение, например, предельно допустимую концентрацию (ПДК). Для оценки уровня загрязнения иногда рассчитывают медиану и моду.
Основными результатами анализа экспериментальных данных, как правило, являются:
1) сравнительная характеристика значений средних и максимальных концентраций по отдельным веществам, пунктам и по всему городу или по промышленному району за отдельные месяцы (периоды) или по данным за ряд лет;
2) графики временного хода (суточного, месячного и годового) характеристик загрязнения и метеорологических элементов;
3) графики связи характеристик загрязнения средних и максимальных концентраций с метеорологическими параметрами (скоростью и направлением ветра, осадками, приземными инверсиями, туманами и др.);
4) карты-схемы распределения значений средних и максимальных концентраций на территории города или промышленного района в отдельные периоды наблюдений, характерные по условиям погоды и выбросов;
5) «розы загрязнения» в отдельных пунктах и в целом по городу по данным повторяемости значений концентраций при разных направлениях ветра;
6) таблицы характеристик загрязнения в отдельных пунктах при различных типах выбросов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ
1. Средние значения концентраций
За рассмотренный период маршрутный мониторинг осуществлялся неравномерно во времени: от одного до нескольких раз в месяц в течение полугодия с марта по ноябрь, иногда по различным причинам отмечались большие промежутки времени без измерений. В течение одного выезда производились от одного до трех измерений в сутки, обычно в период от 10 до 16 часов местного времени на каждом маршрутном посту. Таким образом, ряд наблюдений состоял из неравномерно распределенных во времени данных. Рассчитывать средние концентрации загрязняющих веществ за недельный, месячный и годовой период в данном случае некорректно. Вообще, концентрация примеси в каждый момент времени сильно зависит от времени осреднения. В связи с этим любое значение средней и максимальной концентрации примеси должно сопровождаться пояснением с указанием времени осреднения, которому соответствует это значение. Наиболее приемлемой в данном случае является оценка среднесуточных концентраций.
Говорить о среднесуточной концентрации определенного вещества в целом по всему городу также более приемлемо в связи с тем, что расположение и количество постов выбрано в соответствии с размерами города и особенностями орографии.
Таким образом, нами были рассчитаны среднесуточные концентрации по данным измерений на каждом посту маршрутного мониторинга. Хронология распределения среднесуточных концентраций диоксида серы и пыли, выбранных для иллюстрации результатов мониторинга, наглядно отображена в данной работе (см. рис.1). Как видно из рисунка, дни, в которые производился отбор проб, распределены неравномерно. Рассматривать среднемесячные концентрации возможно только в месяцы, когда замеры проводились наиболее интенсивно, например, в сентябре-ноябре 1998 г. Однако, и в этом случае будет нарушено нормативное
Диоксид серы ПДКмр= 0,5 мг/куб.м
условие, при котором достоверный результат может быть получен лишь при наличии не менее 20 случаев среднесуточных концентраций.
Представленные в таком виде результаты маршрутного мониторинга позволяют наглядно оценить, в скольких случаях наблюдалось превышение ПДК среднесуточных. На гистограммах явно выделяются дни с повышенными концентрациями примесей, которые отмечались и по причине наличия в тот день НМУ. Например, 4 июня и 16 сентября 1998 г., когда над Челябинской областью располагался гребень атмосферного давления в теплом секторе, которому сопутствует безветренная, ясная, сухая погода.
2. Распределение накопленных частот
Распределение накопленных частот вычисляется для того, чтобы судить о частоте появления концентраций примесей, превышающих данное значение, например, ПДК. По графику можно определить процентную повторяемость проб, в которых концентрации диоксида серы превышали определенные значения (рис. 2).
Известно, что для разработки проекта предельно допустимых выбросов (ПДВ) любого предприятия используются, так называемые, фоновые концентрации Сф, которые часто путают со среднегодовыми концентрациями. Фоновые концентрации являются максимальными из разовых концентраций 5 % повторяемости, наблюдаемых при НМУ за 5 лет [3]; на графике они соответствуют накопленной частоте 95 %. Из рис. 2 видно, что в течение 4 лет наблюдений уровень концентрации Сф диоксида серы за 1997 г. превышал почти в 1,6 раза ПДКмр. Тогда как в другие годы фоновые концентрации этого загрязняющего вещества составляли около 0,2-0,25 ПДК. Превышение ПДК загрязняющего вещества за пределами санитарно-защитной зоны предприятия означает недопустимость строительства новых объектов, загрязняющих атмосферу, и принятие срочных мер по снижению выбросов уже существующих предприятий.
концентрация, иг/куб.и
Рис. 2. Накопленные частоты концентраций диоксида серы в г. Карабаше (1999-2000 гг.)
3. Индекс загрязнения атмосферы.
Для суммарной оценки уровня загрязнения воздуха в Карабаше по данным за 1997-1998 гг. был рассчитан комплексный индекс загрязнения атмосферы по пяти приоритетным поллютантам: пыли, диоксиду серы, диоксиду азота, оксиду углерода, формальдегида. Индексом загрязнения атмосферы (ИЗА) отдельной примесью называют осредненную за некоторый промежуток времени концентрацию поллютанта Сср' к его предельно-допустимой среднесуточной концентрации: С \к
ИЗА =
С'
ср
ЩКее1
где показатель к; зависит от класса опасности веществ.
Комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗАк) города — комплексный показатель загрязнения атмосферы, который рассчитывается по сумме пяти главных загрязнителей при переводе абсолютных значений каждого в число ПДК. Перевод абсолютных значений загрязнения в ИЗА позволяет реально учесть экологический вред, который наносится загрязнителями разной степени вредности. Так как всегда измеряются концентрации не менее 5 веществ, то для сравнения степени загрязненности городов, при расчете ИЗА удобно ограничиться пятью приоритетными загрязнителями города.
В случае нерегулярных наблюдений расчет ИЗА по средним концентрациям поллютантов, в целом, также не является корректным. Можно в этом случае говорить только об оценках ИЗА. Нами были взяты данные о концентрациях загрязняющих веществ за все дни наблюдений в 1997-1998 гг., найдено их среднее значение за период наблюдений (сентябрь-ноябрь и май-ноябрь) и рассчитан ИЗА за период наблюдений для каждого вещества, а также комплексный показатель ИЗА.
При таких оценках ИЗА в 1997 г. в Карабаше составил 7,9; в 1998 г. — 7,3; что говорит о том, что уровень загрязнения атмосферного воздуха в Карабаше соответствовал градации «высокий». Уровень ИЗА может существенно отличаться не только в пределах одной климатической зоны, но и в пределах десятков километров. Наличие источников постоянных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу обуславливает лишь небольшие колебания этого индекса во времени. Рассчитанную таким образом величину ИЗА, в случае Карабаша, возможно считать оценкой за годовой период.
Итак, анализ результатов наблюдений загрязнения атмосферного воздуха как с целью прогноза, так и для выдачи рекомендаций по ограничению выбросов предприятий, должен учитывать характер распределения замеров во времени. Требования к их периодичности оговариваются в соответствующих руководящих документах. Исчерпывающие результаты могут быть получены только при соблюдении всех методических правил. При наличии нерегулярных данных возможность анализа сложившегося загрязнения воздушного бассейна ограничена. На примере данных маршрутного мониторинга, проводившегося с 1997 по 2000 г. в г. Карабаше, нами предложены наиболее приемлемые варианты такого анализа. Для оценки состояния загрязнения воздуха на основе нерегулярных наблюдений, можно использовать сравнение гистограмм среднесуточных концентраций за период наблюдений, оценку фоновой концентрации в городе по распределению накопленных частот, а также оценку ИЗА города.
Благодарим начальника отдела охраны атмосферного воздуха ЧЦГМС Н. П. Галышеву за предоставленные материалы.
Список литературы
1. Безуглая Э. Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах / Э. Ю. Безуглая. Л. : Гидрометеоиздат, 1986. 184 с.
2. Берлянд М. Е. Руководство по прогнозу загрязнения воздуха / М. Е. Бер-лянд, Л. Р. Сонькин. М. : Росгидромет, 1993. 90 с.
3. Руководящий документ по контролю загрязнения атмосферы / М. : Госкомитет СССР по гидрометеорологии. Минздрав СССР, 1991. 104 с.
