Определение источника сверхнормативного загрязнения атмосферы населенного пункта Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 504 06 Л. О. ШТРИПЛИНГ

В. В. БАЖЕНОВ Ю. В. КАЛИНИН

Омский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСТОЧНИКА СВЕРХНОРМАТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НАСЕЛЕННОГО ПУНКТА

В современной отечественной практике отсутствуют методы, позволяющие, с определенной долей вероятности, установить конкретный источник, совершивший сверхнормативный выброс загрязняющего вещества, спровоцировавший неприемлемое состояние атмосферы города. Вина, как правило, возлагается на наиболее крупные промышленные предприятия населенного пункта, имеющие определенный запас мощности своих производств, но не всегда они являются действительной причиной сверхнормативного влияния на воздушный бассейн. Поэтому становится необходимым разработка экспертной системы принятия решений при установлении источника (предприятия), оказавшего неприемлемое негативного воздействие на атмосферный воздух городской среды.

Ключевые слова: атмосфера, загрязнение, мониторинг, контроль, установление, превышение, экспертная система принятия решений.

В настоящее время мониторинг состояния атмосферного воздуха в крупных населенных пунктах осуществляется с применением стационарных постов наблюдения. Однако количество постов наблюдения, даже согласно руководящим документам, является недостаточным для того, чтобы обеспечить всех заинтересованных лиц достоверной оперативной информацией об уровне загрязнения атмосферы в любой заданный момент времени в конкретной точке населенного пункта [1]. Так, например, в городе Омске, с населением 1,1 млн человек, функционируют восемь стационарных постов контроля, локализованных относительно основных промышленных узлов города. В случае фиксирования на одном из постов значительного превышения фоновых концентраций загрязняющих веществ не всегда удается установить конкретное предприятие, совершившее сверхнормативный выброс загрязняющего вещества, поскольку сразу несколько источников может находиться на подветренной стороне [2]. Наращивание аппаратурной составляющей неизбежно связано с удорожанием всей системы мониторинга. Кроме того, имеющиеся данные о концентрациях загрязняющих веществ на каком-либо посту наблюдения (в конкретной точке местности) интерпретируются как имеющие место в любой точке области действия поста [3], что, с нашей точки зрения, является ошибочным, так как концентрации значительно меняются в зависимости от технологических и метеорологических параметров в течение суток.

Еще одной немаловажной проблемой является то, что в настоящее время при анализе информации о состоянии атмосферного воздуха в населенном пункте отсутствуют методики и алгоритмы однозначного определения источников загрязнения, выброс которых повлек за собой повышение уровня загрязнения воздушного бассейна. В настоящее время единственно возможным методом определения виновника является метод экспертных оценок, который не лишен субъективности, в особенности в отношении крупных природопользователей.

Пример возможной ситуации приведен на рис. 1. Цифрами 1 — 3 обозначены источники загрязнения, серым квадратом с соответствующей подписью обозначен стационарный пост, стрелкой указано направление ветра, сплошной черной линией — обозначены факельные пятна.

Для адекватной оценки состояния атмосферного воздуха в городских условиях необходимо создание единой экспертной системы, которая, на основании моделей рассеивания загрязняющих веществ, позволит проводить глубокий анализ и оценку состояния атмосферного воздуха в любой точке населенного пункта, используя поступающую с постов наблюдения информацию как проверочную.

Первым шагом к созданию такой системы является разработка модели установления источника загрязнения, выброс которого повлек сверхнормативное загрязнение атмосферного воздуха населенного пункта. Далее рассмотрим этот вопрос подробнее.

Для нормативной ситуации концентрация на посту: п

СпоСт = ТСг(х,у,г = 2).

1=1

Провести расчет концентрации загрязняющего вещества в расчетной точке согласно модели Гаусса [1] можно по формуле:

С(х,у,г) =

ОКУ

2-71

■ехр

где С(х,у^) — концентрация выбрасываемого вещества в точке с координатами х, у, z, мкг/м3;

О — выброс вещества, г/с;

К — коэффициент пересчета, равен 1х106;

V — вертикальные условия рассеивания; оу, оz — стандартные отклонения рассеивания по горизонтали и вертикали, м;

ив — скорость ветра на эффективной стороне источника, м/с.

Скорость ветра на эффективной высоте источника определяется как:

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012 ЭКОЛОГИЯ

ЭКОЛОГИЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012

*

Рис. 1. Пример ситуации с расположением трех источников загрязнения и стационарного поста

Рис. 2. Пример работы программы по определению очередности проведения контрольных измерений и выбору точек

2 ге/

где ^ — высота источника выбросов, м; иге1 — приземная скорость ветра, м/с; zre^ — высота замера приземной скорости ветра, м; р — поправочный коэффициент, выбирается из табл. 1.

Эфективная высота источника может быть рассчитана по формулам:

1. Для классов стабильности атмосферы А, В, С, D при х<х эффективная высота источника составит:

Ле=Л'+1,6

К -ля'+1,6

р1/з Т1/3

Р1/3 1/3

гъ л

2. Для классов стабильности атмосферы Е, F коэффициент стабильности:

дв/дг

в = д-------

Т

1а

где S0/Sz для класса стабильности Е равен 0,02 К/м, для класса стабильности F — 0,035 К/м.

Расстояние, на котором достигается максимальная концентрация:

х{ - 49 • , если Рь < 55 ,

иначе.’Х/=119-Рь/5 ,

где Ръ — параметр Бриггса, расчитываемый по формуле:

Рь = 9-^8-й3

/7 _7 л

5 1а

4-Т

V 4 ^ у

где д — ускорение свободного падения, 9,8 м/с2; у — скорость выхода газовоздушной смеси из источника, м/с; — диаметр устья источника, м; Т — температура газовоздушной смеси на выходе из источника, °С; Та — температура окружающей среды, °С.

Если выполняется условие 1,84и^-1/2>х/, то расчет эффективной высоты источника выполняется

аналогично классам А^. Иначе, если 1,84и ^-1/2>х,

1 'в 1

эффективная высота источника составит:

Ле-Л5'+2,4.

/ _ \1/з рь

Р1/3 ^1/3

Гу, •X

Ле=Л,'+1,6-^

Щ

Стандартные отклонения рассеивания по горизонтали и вертикали рассчитываются:

а = 456,11628 • х ■ 1ап{0,017453293 ■ [с - с! ■ 1пЭД]},

а. =а-хъ ,

где а, Ъ, с, d — коэффициенты, выбираемые из таблиц со значениями соответствующих коэффициентов [4].

Расчет вертикальных условий рассеивания проводится по следующей формуле:

V = ехр

-0,5

(-*е)2

+ ехр

-0,5

{*+к?

+

оо + 2 [ехр 1 о СП + ехр / п \ -0,5-4

т=1 К ) 1 )

+

С о \ -0,5-4' { 9 \ -0,5-4

+ ехр

1 )

+ ехр

где ке — эффективная высота источника (высота средней линии факела над уровнем земли), м;

H^ = z—(2mL — hl);

Н2 = z +(2mL — Ле);

H3 = z—(2mL + Лe);

Н4 = z +(2mL + Ле);

т — счетчик интерполяции (для расчетов достаточно трех интерполяций); L — высота смешивания, м.

иначе

Таблица 1

Значение коэффициента р в зависимости от класса стабильности атмосферы

Класс стабильности атмосферы р для сельской местности рдля городской местности

А 0,07 0,15

В 0,07 0,15

С 0,1 0,2

D 0,15 0,25

Е 0,35 0,3

Б 0,55 0,3

Согласно модели КСШ2, высоту смешивания можно рассчитать по формуле:

I= 320 • ц^о ,

где u10 — приземная скорость ветра (обычно на высоте 10 метров) [5].

При установлении источника загрязнения, вызвавшего превышение нормативной величины загрязнения приземного слоя атмосферы, зафиксированного на стационарном посту, необходимо, исходя из известных параметров источников загрязнения и полученных в ходе расчетов значений, а именно зная мощность выброса в нормативной ситуации и рассчитав максимальное значение мощности (согласно технической документации), рассчитать соответствующие значения концентраций для нормативного и максимального негативного случаев, после чего построить соответствующую таблицу (массив)(табл. 2).

При этом концентрация на посту (Спост) в случае совершения сверхнормативного выброса газовоздушной смеси, содержащей вредные вещества, для п источников, определяется:

Л-1 : + ту^норм

;=1 1

Полученное значение сравнивается с текущей ситуацией на посту, и по наиболее близкому значению определяется источник, который оказывает

сверхнормативное негативное воздействие на воздушный бассейн:

(-.факт „

'-'лосш — пост I .

Для проведения контрольных измерений необходимо установить те точки, в которых будут проводиться контрольные измерения — на наиболее близких участках дороги по направлению к стационарному посту, с наибольшей концентрацией загрязняющего вещества для выбранного (выбранных) источника, в которых рассчитывается концентрация С(Ax, Ау, z), где Ax и Ау — координаты точки отбора на участке дороги, при этом Дх<х.

Пример результата выполнения данных действий при помощи разработанной программы для ЭВМ представлен на рис. 2.

На данном рисунке серым квадратом обозначен стационарный пост, черными точками с номерами

1 — 3 — источники загрязнения атмосферы, белой (с серым контуром) — точка, в которой будут производиться контрольные измерения (подписано контрольное значение концентрации), пунктирными линиями — участки дороги, на которых возможно проведение контрольных измерений с помощью оперативного (подвижного) поста, черными сплошными — «факельные пятна», стрелкой обозначено направление ветра, серой сплошной — перпендикуляр к осям факелов, проведенный через пост.

В табл. 3 представлен пример результата расчета.

При анализе полученных результатов возможны два случая:

1) когда по построенной таблице можно одно-

значно определить источник, вызвавший сверхнормативное загрязнение атмосферы — фактическая концентрация на посту С превышает значе-

11 1 •> пост факт 1

ние С для всех источников, кроме одного;

пост I ^ > 1 |—| I

2) когда по построенной таблице нельзя однозначно определить источник, вызвавший сверхнормативное загрязнение атмосферы — фактическая концентрация на посту С . не превышает значе-

11 1 •' пост факт 1

ние С для нескольких источников загрязнения.

пост I “ 1

В первом случае после проведения расчета виновник установлен, во втором — необходимо произвести контрольные измерения, для которых выбирается точка на участке дороги, для которой рассчитывается контрольное значение концентрации, ис-

Таблица 2

Результирующая таблица, получаемая в ходе расчета

Концентрация, Концентрация,

Источник загрязне- созд-ая 1-ым источни- созд-ая 1-ым источни-

ния атмосферы ком на посту норм., ком на посту макс.,

С С

С , С , С 1

С „ С „ С 2

С С С

Таблица 3

Пример результатов расчета

Наименование источника Концентрация на посту, С . ' норм Концентрацияя на посту, С . ' макс Спост !

источник_1 0,0271 0,30881 0,39289

источник_2 0,01617 0,24763 0,34264

источник_3 0,06791 0,50172 0,54499

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012 ЭКОЛОГИЯ

ЭКОЛОГИЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012

пользуя значение максимальной мощности выброса для одного из вероятных источников загрязнения атмосферы (можно увидеть на рис. 2, обозначена белым кружком с подписанным контрольным значением концентрации).

Так как зачастую превышение вызывается воздействием одного источника, данная модель может быть применена для расчетного установления источника загрязнения (в том числе — при разработке экспертной системы принятия решений в области мониторинга и контроля состояния атмосферного воздуха населенного пункта), выброс загрязняющего вещества которого повлек сверхнормативное загрязнение воздушного бассейна населенного пункта для большинства случаев (с относительно небольшим количеством источников загрязнения атмосферного воздуха), либо для сужения круга источников, с определенной долей вероятности способных вызвать сверхнормативное загрязнение атмосферного воздуха с проведением контрольных измерений для окончательного установления такового источника.

Библиографический список

1. Мониторинг загрязнения атмосферы в городах / под ред. А. С. Зайцева. — Л. : Гидрометеоиздат, 1991. — 112 с.

2. Голицын, А. Н. Промышленная экология и мониторинг загрязнения природной среды / А. Н. Голицын. — М. : Оникс, 2007. - 336 с.

3. Горелик, Д. О. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов. Аэроаналитические измерения / Д. О. Горелик, Л. А. Конопелько. — М. : Изд-во стандартов, 1992. — 433 с.

4. Клименко, Е. Т. Гауссовская математическая модель рассеяния вредных веществ в атмосфере / Е. Т. Клименко. — М. : ООП ГАНГ, 1998. — 26 с.

5. Наац, В. И. Математические модели и численные методы в задачах экологического мониторинга атмосферы / В. И. Наац, И. Э. Наац. — М. : ФИЗМАТЛИТ, 2010. — 328 с.

ШТРИПЛИНГ Лев Оттович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Промышленная экология и безопасность».

Адрес для переписки: e-mail: losht59@mail.ru БАЖЕНОВ Владислав Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная экология и безопасность». адрес для переписки: e-mail: vlad383@mail.ru КАЛИНИН Юрий Владимирович, аспирант кафедры «Промышленная экология и безопасность». Адрес для переписки: e-mail: ukalinin.conference@ gmail.com

Статья поступила в редакцию 10.09.2012 г.

© Л. О. Штриплинг, В. В. Баженов, Ю. В. Калинин

Книжная полка

57/Г78

Графкина, М. В. Экология и экологическая безопасность автомобиля : учеб. для вузов по специальности «Автомобиле- и тракторостроение» / М. В. Графкина, В. А. Михайлов, К. С. Иванов ; под ред. М. В. Графки-ной. - М. : Форум, 2011. - 319 с.

В учебнике даны представления об основах взаимодействия общества и природы, изложены положения общей теоретической экологии, раскрыты глобальные проблемы окружающей среды, даны представления об основах экологического природопользования и экологического права, а также даны основы государственного управления в области экологии и международного сотрудничества в области окружающей среды. В учебнике также раскрыты воздействия автомобильного транспорта и автотранспортных предприятий на окружающую среду и методы обеспечения экологической безопасности автомобиля.

502/А13

Абдулин, С. Ф. Экологическое воздействие вредных выбросов горно-металлургических комбинатов по производству никеля на человека и окружающую среду : моногр. / С. Ф. Абдулин ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. - 286 с. - ISBN 978-5-8149-1257-2.

В работе рассмотрена экологическая обстановка горно-металлургических комбинатов по производству никеля из сульфидных медно-никелевых руд (на примере Заполярного филиала ГМК «Норникель» и его дочерних комбинатов «Североникель» и «Печенганикель») и из окисленных никелевых руд (на примере комбинатов «Южуралникель», «Уфалейникель», Буруктальский никелевый завод). Отмечается, что в настоящее время экологическая обстановка на никелевых комбинатах тяжелая (выбросы вредных веществ в атмосферу, в промышленные сточные воды и с твердыми отходами хвостов обогатительных фабрик и шлаками металлургических процессов существенно превышают допустимые ПДВ, ПДК, что пагубно сказывается на здоровье людей и окружающей природной среде). Показана тесная связь технологических показателей с экологическими факторами и ресурсосбережением.