CC BY
71Наместникова О. В., Топольский Н. Г.
ОБЗОР МОДЕЛЕЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ
В условиях возрастающей антропогенной нагрузки сохранение качества среды обитания человека - приоритетное направление в области обеспечения экологической безопасности мегаполисов. Разработка и развитие адекватных, универсальных методов и моделей оценки, прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха является актуальной задачей. В статье приводится анализ наиболее известных зарубежных и отечественных методик, моделей, используемых в системе управления качества атмосферного воздуха на урбанизированных территориях.
Ключевые слова: экологическая безопасность, мегаполис, качество окружающей среды, загрязнение атмосферного воздуха, математическая модель, программный комплекс.
В крупных городах остро стоит задача сохранения качества среды обитания человека. Загрязнение атмосферного воздуха (АВ) является наиболее серьёзной проблемой, так как концентрации загрязняющих веществ (ЗВ), поступающих от различных источников загрязнения атмосферы (ИЗА), зачастую значительно превышают нормативные величины, а их кумулятивное действие в некоторых случаях ещё больше усугубляет экологическую обстановку в мегаполисах.
Основными источниками, загрязняющими воздух в городах, являются промышленные предприятия и транспорт. Доля выбросов от автотранспорта в суммарном выбросе ЗВ на территории города может достигать более 90 % (для Санкт-Петербурга этот показатель составляет 86,5 % [1], для Москвы - 92 % [2]).
АСКЗА - автоматические станции контроля загрязнения атмосферного воздуха (стационарные, передвижные), входящие в состав системы контроля за качеством АВ в городах, дают важную количествен-
ную информацию о содержании ЗВ в заданный момент времени и в определённом месте. Однако АСКЗА не позволяют чётко определить причины качества АВ и, тем более, не могут прогнозировать дальнейшие сценарии поведения ЗВ. Для решения данной задачи широко используются методы моделирования загрязнения атмосферного воздуха, которые являются математическим инструментом, описывающим причинно-следственные связи между выбросами ЗВ от различных ИЗА, и факторами, влияющими на их трансформацию и перенос. Модели позволяют оценить текущее состояние качества АВ и спрогнозировать последствия воздействий на окружающую среду и человека, а также обеспечивают информацией для принятия управленческих решений.
Моделирование состояния качества АВ предполагает использование различных математических подходов, описывающих физико-химические процессы в АВ (перенос и атмосферная диффузия, процессы трансформации ЗВ в АВ, процессы вымывания и осаждения примесей и пр.), которые моделируются в зависимости от вида ИЗА, параметров выбросов, метеорологических, топографических и других условий, влияющих на рассеивание ЗВ.
Самые ранние модели загрязнения АВ относятся к 1930-м гг., например, в работах Саттона, Пирсона исследовались диффузионные процессы в загрязненном АВ выбросами одиночных промышленных ИЗА [3]. Была разработана Гауссова модель, которая основывалась на предположении, что рассеивание примесей в АВ имеет нормальное вероятностное распределение (гауссово распределение). Модель предназначалась для определения максимального уровня загрязнения АВ и расстояния,
на котором он достигается при непрерывных выбросах организованных стационарных ИЗА.
В последующие годы исследования в области рассеивания примесей от точечных ИЗА значительно расширились. Среди отечественных работ необходимо отметить исследования Главной геофизической обсерватории имени А. И. Воейкова. Работы М. Е. Берлянда и др. по теории атмосферной диффузии, основанные на результатах интегрирования уравнений турбулентной диффузии примесей в АВ, внесли большой вклад в развитие методов и отечественных моделей прогнозирования загрязнения АВ [4].
В дальнейшем Модель Гаусса была адаптирована для линейных и площадных источников загрязнения атмосферы.
Несмотря на широкое распространение Гауссовых моделей, прогнозирующих локальные загрязнения АВ, появилась необходимость в разработке моделей дисперсии ЗВ на значительные расстояния (в том числе трансграничный перенос примесей). Модели на основе гауссова алгоритма в данном случае оказались недостаточными. Для развития моделирования рассеивания ЗВ были применены два подхода, в основу которых легли модели Ла-гранжа и Эйлера.
Основная суть модели Лагранжа состоит в вычислении траекторий множества частиц в облаке загрязнённого АВ, каждая из которых содержит фиксированное количество рассматриваемого ЗВ. Отдельные траектории складываются под влиянием атмосферной дисперсии при средней скорости ветра, а также под влиянием различных вероятностных нарушений. При этом смесь, возникающая вследствие турбулентной диффузии, описывается в целом. Данная модель позволяет прогнозировать длительные по времени загрязнения АВ (до одного года) [5].
Другой подход - более сложное моделирование по Эйлеру, основанное на уравнении сохранения массы ЗВ. При этом способе расчёта увеличение и снижение
концентраций загрязняющего вещества устанавливается за определённые промежутки времени в каждой из предполагаемых равноразмерных ячеек (или сеток), на которые поделено пространство (исследуемая территория) как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях с учётом обмена ЗВ между ячейками и их химической трансформации. В результате расчётов определяется поле концентраций примесей, полученных в узлах ячеек. Так как этот метод очень сложен и требует длительных программных расчётов, им обычно не пользуются постоянно, а используют для кратковременных прогнозов (до нескольких дней). Исследования были начаты в 1970-х годах для оценки распространения критериальных ЗВ (таких как озон, диоксид серы и пр.) на урбанизированных территориях [4].
Примерно с середины 1970-х гг. появились разработки первых гибридных моделей Лагранжа-Эйлера.
С 1980-х гг. исследования продолжились в направлении адаптации моделей для множества различных случаев, так как вышеперечисленные модели Гаусса, Лагранжа и Эйлера оказались достаточно универсальными для большинства задач в области управления качеством окружающей среды.
Все модели, построенные на основе рассмотренных выше алгоритмов расчёта, могут быть классифицированы по ряду других критериальных признаков, однако единой классификации моделей атмосферной дисперсии примесей нет вследствие многоаспектности подходов в моделировании.
Наиболее распространённые модели, разработанные в США и принятые Агентством по охране окружающей среды США (US EPA - United States Environmental Protection Agency), представлены в таблице 1 [3, 6-9]. Данные модели рекомендованы также для расчётов в других странах.
В таблице 2 приведены некоторые модели и программы, разработанные в странах Европы, а также Австралии.
Таблица 1
Общая характеристика некоторых моделей атмосферной дисперсии,
разработанных в США
Наименование Характеристика
ADAM - Air Force Dispersion Assessment Model Разработана для ВВС США в середине 1980-х гг. В конце 1980-х - начале 1990-х гг. была доработана и сейчас является наиболее полной из доступных широкому кругу пользователей моделей. Позволяет рассчитать рассеивание примесей при штатных и аварийных выбросах (в первую очередь, для самолётов, находящихся на земле, площадных ИЗА) по восьми ЗВ (хлор, фтор, диоксид азота, сероводород, фтористый водород, диоксид серы, фосген и аммиак). Учитывает причины выбросов (например, разгерметизация ёмкостей под давлением, розлив жидкостей и пр.) и различные условия рассеивания (в том числе химические реакции и фазовые изменения примесей в облаке).
AERMOD Разработана в начале 1990-х гг. Применима для прогнозирования рассеивания примесей выбросов от стационарных ИЗА (точечных, линейных, площадных) в штатном и аварийном режимах в радиусе до 50 км. Позднее модель стала применяться также для оценки изменений качества АВ в условиях дорожного движения. В основе лежит алгоритм модели Гаусса. Учитывает вертикальное и горизонтальное рассеивание примесей с использованием метеорологических данных на разных высотах, рельефа местности и других особенностей территорий, механизмы сухого и влажного осаждения и пр.
AFTOX - Air Force Toxic Chemical Dispersion Model Разработана для ВВС США в конце 1980-х гг. с целью оценки токсичности среды при аварийных выбросах опасных химических веществ в АВ. Является дисперсионной моделью с использованием стандартных формул Гаусса, способной определить направления распространения токсичного облака и концентраций ЗВ спустя определённое время при залповых и непрерывных выбросах на любой высоте, а также скорость испарения пролитых жидкостей и пр.
CALINE-3, CALINE-4 - California Line Source Dispersion Model Разработана в 1980-х гг. Гауссова дисперсная модель для исследования рассеивания ЗВ в АВ в условиях дорожно-транспортного движения с учётом различных характеристик местности и передвижных ИЗА в пределах 500 м от проезжей части. Модель позволяет оценивать качество воздуха на перекрёстках, «уличных каньонах» и парковках.
CALPUFF Была принята Агентством по охране окружающей среды США в качестве предпочтительной модели для оценки переноса на малые и большие расстояния ЗВ (в том числе радиоактивных) в АВ для различных метеорологических, топографических и прочих условий. Является интегрированной системой моделирования, которая адаптирована для разных ИЗА (первоначально модель использовалась только для стационарных ИЗА (точечных, линейных, площадных), но модель применима также для передвижных ИЗА), в том числе для оценки воздействия лесных пожаров и пр.
CTDMPLUS - Complex Terrain Dispersion Model Plus Algorithms for Unstable Situations Принята Агентством по охране окружающей среды США специально для определения качества АВ в районах со сложным рельефом местности при различных условиях рассеивания выбросов - стабильных, нестабильных (конвективных) - от высоких точечных ИЗА.
DEGADIS - Dense Gas Atmospheric Dispersion Одна из первых версий была разработана в 1985 году. Сейчас используется Агентством по охране окружающей среды США для прогнозирования рассеивания тяжёлых газов или аэрозолей для различных ИЗА на однородных по рельефу территориях. Несмотря на достаточно значительные сценарные ограничения (например, не учитываются аэродинамические эффекты среды; модель не используется для химических смесей, не учитываются химические превращения в облаке и пр.), широко применяется как на государственном уровне, так и в частном порядке (упрощённая версия DEGADIS составляет основу популярной модели ALOHA). Работа с DEGADIS предполагает квалифицированную подготовку пользователей, так как без базовых знаний в таких областях как гидродинамика, химия атмосферы и др. модель может выдавать неоднозначные результаты исследования при одном и том же наборе вводимых параметров.
HOTMAC/RAPTAD Уникальная комплексная система моделирования, используемая для прогнозирования погоды, эффективного управления в ситуациях экстренного реагирования при аварийных выбросах химически опасных веществ, экологической оценки состояния АВ городов и научных исследований пограничного слоя атмосферы. Позволяет прогнозировать рассеивание примесей в трёхмерном пространстве в условиях сложного рельефа местности с использованием ГИС-технологий. В настоящее время имеет высококачественную аними-рованную графику.
HYROAD - HYbrid ROADway Model Гибридная система, моделирующая пространственно-временное распределение загрязнений АВ в условиях дорожно-транспортного движения. Модель учитывает сложное перераспределение ЗВ в АВ (в первую очередь, монооксид углерода и твёрдые вещества) с учётом скоростного режима движения автотранспорта в пределах 500 м.
SLAB Разработана в 1980-х гг., в настоящее время распространяется и поддерживается Агентством по охране окружающей среды США. Используется для оценки рассеивания выбросов тяжелых газов в АВ в штатном и аварийном режимах работы промышленных предприятий. Усовершенствованная модель (ранее использовалась в основном для площадных ИЗА) является в настоящее время одной из наиболее удобных и доступных широкому кругу пользователей моделей рассеивания тяжёлых газов.
Таблица 2
Наиболее распространённые модели атмосферной дисперсии, разработанные в Европе, Австралии
Страна-разработчик Наименование модели, программы
Австралия AUSPLUME; AUSPUFF; DISPMOD; LADM; TARM
Австрия GRAL
Бельгия IFDM; SEVEX
Великобритания ADMS-3; ADMS-URBAN; ADMS-Roads; ADMS-Screen; NAME; GASTAR; UDM
Германия ATSTEP; AUSTAL2000; PROCAS-V; STOER.LAG
Греция DIPCOT; DISPLAY-2; MEMO; MUSE
Дания OML; OSPM
Италия FARM; SAFE AIR II
Нидерланды CAR-International; LOTOS-EUROS; STACKS
Португалия POLGRAPH
Румыния INPUFF-U
Финляндия BUO-FMI; CAR-FMI; UDM-FMI
Франция MERCURE; RADM
Чехия HAVAR
Швеция DISPERSION21
Эстония AEROPOL
В России широкое распространение получили программные продукты, реализующие утверждённую на государственном уровне методику расчёта загрязнённого АВ вредными веществами, содержащихся в выбросах промышленных предприятий - ОНД-86 [10]. Данная методика применяется на практике при разработке природоохранных мероприятий и осуществлении государственного контроля по охране АВ. Она предназначена для определения приземных концентраций ЗВ при заданном ветре в двухметровом слое над поверхностью земли, а также вертикального распределения примесей от организованных стационарных ИЗА в условиях умеренно неустойчивого состояния атмосферы. Модели на основе ОНД-86 можно использовать только для оценки максимальной приземной концентрации газовоздушной примеси при наихудших
с точки зрения рассеивания условиях. Основные ограничения методики:
- нельзя использовать для прогнозных и сценарных расчётов при конкретных метеорологических условиях;
- ограничено использование в аналитических исследованиях квазистационарных процессов (например, в случаях пожаров, для утечек на магистральных продуктопроводах и пр.);
- не распространяется для расчёта концентраций ЗВ на большие расстояния от ИЗА и др.
Программы расчёта выбросов автотранспорта также разработаны на основе утверждённых методик [11, 12].
Среди отечественных программных продуктов наибольшее распространение получили:
- УПРЗА - унифицированная программа расчёта загрязнения атмосферы
«Эколог» (версии 3.0 и 4.0) и совместная с ней «Программа расчёта осредненных за длительный период концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе» (расчётный блок «Средние») (версия 1.0), программа «Магистраль-город» (версии 2.2 и 3.0) фирмы «Интеграл» г. Санкт-Петербург (http://integral.ru);
- программный комплекс «Призма-регион» (на базе программы УПРЗА «Призма-регион») и программа «Автомагистраль-город» НПП «ЛОГУС» г. Красногорск (http://www.logus.ru);
- программный комплекс «Гарант-Универсал» (версия 2.0 и 3.0) ООО «НПО фирма ГАРАНТ» г. Москва (http://garant.hut.ru).
Основными функциональными возможностями программы УПРЗА «Эколог» являются расчёт приземных концентраций как отдельных веществ, так и групп веществ с эффектом суммации для неограниченного количества различных ИЗА (точечных, площадных, линейных) с учётом параметров источников выбросов, влияния рельефа (в том числе с учётом застройки), фоновых концентраций (программа позволяет оценить фоновое загрязнение без учёта вклада отдельных источников) с занесением результатов расчёта на карты-схемы. «Программа расчёта осреднённых за длительный период концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе» позволяет рассчитывать осредненные за длительный период (год, сезон) концентрации для оценки воздействия выбросов предприятий на окружающую среду, оценки рисков здоровья населения и решения других задач.
Универсальный программный комплекс «Призма-регион» предназначен для автоматизированной поддержки принятий управленческих, технологических и проектных решений по формированию комплексов воздухоохранных мероприятий на территориях региона, города, предприятия.
Программы «Магистраль-город» и «Автомагистраль-город» предназначены для расчёта выбросов ЗВ от автомагистралей всех категорий автотранспортных
средств для их использования при проведении сводных расчётов загрязнения АВ в городских условиях.
Программный комплекс «Гарант-Универсал» позволяет проводить расчёты полей концентраций ЗВ (в том числе комплексной оценки загрязнения химическими и радиоактивными вредными веществами) промышленных предприятий в приземном слое АВ с учётом (модуль «Универсал») и без учёта (модуль «Гарант») жилой застройки для ИЗА четырёх типов (точечные, линейные, площадные двух типов) в зависимости от различных условий рассеивания выбросов. В состав данного программного комплекса могут входить программа «Универсал-Сити-Москва», пакеты «Автотранспорт» и «Автотранспорт-ОНТП» и пр.
Кроме российских программ, существует ряд программных продуктов на основе ОНД-86 в странах СНГ - например, программы ЭОЛ 2000 и ЭОЛ 2000И (версия 4.0) ООО «Софт-фонд», Украина (http://www.sfund.kiev.ua).
Анализ методик, моделей атмосферной дисперсии показал, что большинство известных современных моделей предназначено для решения узкоспециализированных задач, они чаще всего включают несколько субмоделей, образуя сложные системы программных комплексов. Такие модели сочетают в себе элементы различных ранее исследованных моделей и представляют собой гибридные разновидности уже существующих. Усложнение моделей путём введения большого числа переменных факторов не всегда оправданно, так как большое количество систем уравнений в алгоритмах расчётов требует значительных программных ресурсов и подготовки высококвалифицированных специалистов.
Совершенно очевидно, что необходимо построение нового поколения адекватных, универсальных программных комплексов, основанных на большом опыте отечественных и зарубежных авторов и адаптированных для решения конкретных задач в условиях российских реалий.
Это позволит принимать эффективные управленческие решения для уменьшения негативного воздействия источников за-
грязнения атмосферного воздуха и, в целом, улучшить экологические характеристики среды обитания в мегаполисах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Доклад об экологической ситуации в Санкт-Петербурге в 2013 году / Под ред. И. А. Се-ребрицкого. - СПб: Единый строительный портал, 2014. - 173 с.
2. Доклад о состоянии окружающей среды в городе Москве в 2013 году / Под общ. ред. А. О. Кульбачевского. - М.: ЛАРК ЛТД, 2014. - 222 с.
3. Daly A., Zannetti P. Air pollution modeling -an overview. In: Zannetti P., Al-Ajmi D., Al-Rashied S. (eds) Ambient air pollution, chapter 2, 2007, pp. 15-28.
4. Берлянд М. Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 272 с.
5. Rodhe H., Persson C, Akesson O. An investigation into regional transport of soot and sulfate aerosols. Atmos, Environ, 1972, no. 6, pp. 675-693.
6. Office of the Federal Coordinator for Meteorology. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ofcm.gov/atd_dir/pdf
7. Hartley W. S, CarrE. L, Bailey C. R. Modeling Hotspot Transportation-Related Air Quality Impacts
Using ISC, AERMOD, and HYROAD. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ctre.iastate.edu/ educweb/aq/AWMA%20Paper%200406%20Hartley.pdf
8. Benson P. CALINE4 - a dispersion model for predicting air pollutant concentrations near roadways. FHWA/CA/TL-84/15. Sacramento, CA, California Department of Transportation, 1984. - 45 p.
9. Scire J.A., Strimaitis D, Yamartino R. User's guide for the CALPUFF dispersion model. - Concord: Earth Tech, 2000. - 521 p.
10. Методика расчёта концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Общесоюзный нормативный документ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 68 с.
11. Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчётов загрязнения атмосферы городов. - СПб, 1999. - 16 с.
12. Методика расчёта выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях. - М, 1997. - 54 с.
Namestnikova O., Topolsky N.
AN OVERVIEW OF AIR POLLUTION MODELS IN THE ENVIRONMENTAL QUALITY MANAGEMENT SYSTEM
ABSTRACT
Purpose. In the face of increasing anthropogenic impact the maintaining of the environmental quality is a priority direction in the field of ensuring ecological safety in megacities. The working out and development of adequate, universal methods and models for assessing and forecasting of air pollution is an urgent problem.
Methods. The article examines the well-known foreign and domestic methods and models used in the air quality management system in urban areas.
Findings. In Russia, the models that implement approved at the state level calculation methodology of harmful substances concentration contained in the emissions from industrial enterprises in the atmospheric air are widely used. This technique has limitations and needs to be improved.
Research application field. The results can be useful to specialists in the field of environmental safety in metropolises.
Conclusions. It is necessary to develop a new generation of adequate, universal software systems based on extensive experience of domestic and foreign authors and adapted for specific tasks in the conditions of Russian reality. This will enable one to make effective management decisions to reduce the negative impact of sources of air pollution, and overall, to improve the ecological characteristics of the habitat in metropolises.
Key words: environmental safety, metropolis, environmental quality, air pollution, mathematical model, software system.
REFERENCES
1. Report on the environmental situation in St. Petersburg in 2013. St.-Petersburg, Edinyi stroitel'nyi portal Publ., 2014. - p. 173.
2. Report on the state of environment in Moscow in 2013. Moscow, Lark ltd Publ., 2014. 222 p.
3. Daly A., Zannetti P. Air pollution modeling - an overview. In: Zannetti P., Al-Ajmi D., Al-Rashied S. (eds) Ambient air pollution, chapter 2, 2007, pp. 15-28.
4. Berliand M. E. Prognoz i regulirovanie zagriazneniia atmosfery [Prediction and regulation of air pollution]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1985. 272 p.
5. Rodhe H., Persson C., Akesson O. An investigation into regional transport of soot and sulfate aerosols. Atmos, Environ, 1972, 6, pp. 675-693.
6. Office of the Federal Coordinator for Meteorology, available at: http://www.ofcm.gov/atd_dir/pdf (accessed May 8, 2015).
7. Hartley W.S., Carr E.L., Bailey C.R. Modeling Hotspot Transportation-Related Air Quality Impacts Using ISC, AERMOD,
and HYROAD, available at: http://www.ctre.iastate.edu/educweb/ aq/AWMA%20Paper%200406%20Hartley.pdf (accessed May 8, 2015).
8. Benson P. CALINE4 - a dispersion model for predicting air pollutant concentrations near roadways. FHWA/CA/TL-84/15. Sacramento, CA, California Department of Transportation, 1984. 45 p.
9. Scire J.A., Strimaitis D., Yamartino R. User's guide for the CALPUFFdispersion model. Concord, Earth Tech, 2000. 521 p.
10. Method of calculation of concentrations in atmospheric air of harmful substances contained in the emissions of enterprises. All-Union normative document. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ., 1987. 68 p.
11. Method of determining emissions of vehicles for the conduct of summary estimation of urban air pollution. St. Petersburg, 1999, 16 p.
12. Method of calculation of emissions of pollutants by vehicles on city roads. Moscow, 1997, p. 54.
~ .. Candidate of biological Sciences, Associate Professor
OLGA NAMESTNiKOVA . , r , m . ,„ n •
I State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
NiKOLAi TOPOLSKY
Doctor of Technical Sciences, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
