CC BY
79
ОЦЕНИВАНИЕ ПОЛЕЙ ДЛИТЕЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ ПО ДАННЫМ МОНИТОРИНГА СНЕГОВОГО ПОКРОВА
Татьяна Владимировна Ярославцева
ЗапСибНГМИ, г. Новосибирск, ул. Советская, 30, младший научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Владимир Федотович Рапута
ИВМиМГ СО РАН, 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 6, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Кира Оскаровна Шутова
Управление гидрометеослужбы, г. Барнаул, тел. (3852)68-18-04, e-mail: kira-shutova@yandex.ru
Обсуждаются методы интерполяции полей загрязнения территории города, обусловленных совокупностью выбросов примеси от большого числа распределённых источников. При построении интерполяционных формул используются асимптотические методы теории потенциала и общие закономерности атмосферной диффузии примеси в приземном слое атмосферы. Проведена апробация предложенных алгоритмов применительно к данным мониторинга загрязнения снегового покрова г. Барнаула.
Ключевые слова: интерполяция, загрязнение, примесь, метеопост, снеговой покров.
ESTIMATION OF LONG-TERM FIELD CONTAMINATION OF URBAN AREAS ON THE SNOW MONITORING DATA
Tatyana V. Yaroslavtseva
West-Siberian Regional Hydrometeorological Research Institute, Novosibirsk, ul. The Soviet, 30, tel. (383) 330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Vladimir F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Novosibirsk, prospect Akademika Lavrentjeva, 6, tel. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Kira Os. Shutova
Barnaul, тел. (3852) 68-18-04, e-mail: kira-shutova@yandex.ru
The methods of interpolating fields of pollution in the city from a large number of distributed sources are discussed. In the construction of interpolation formulas are used asymptotic methods of potential theory and the general laws of atmospheric diffusion of impurities in the surface layer of the atmosphere. The approbation of the proposed algorithms with respect to the monitoring data of snow cover pollution of Barnaul carried out.
Key words: interpolation, pollution, impurities, measurements, snow cover.
Исходя из особенностей размещения источников загрязнения на территории города можно предположить чрезвычайно сложный характер распределения концентраций примесей в его атмосферном воздухе. Несмотря
на широкое применение расчётных методов для определения полей концентраций, существенное значение имеют и мониторинговые исследования состояния загрязнения городской среды. Это связано с тем, что локальные климатические условия распространения примесей в атмосфере связаны с характером размещения промышленных предприятий и автомагистралей на территории города, типом застройки, рельефом местности, размером города и другими факторами [1]. Необходимо также отметить, что существует значительная неопределённость в количественном составе поступающих в атмосферу газовых и аэрозольных примесей, процессах их химической трансформации. Поэтому результаты расчётов полей концентраций примесей необходимо сравнивать с экспериментальными данными, анализировать возможные расхождения, устанавливать наличие дополнительных источников и соответствие расчётных значений максимумов концентраций реальным. Значение информации о состоянии пространственного загрязнения атмосферного воздуха возрастает также с необходимостью учёта в проектных разработках данных мониторинга о фоновых концентрациях вредных примесей в местах планируемого размещения дополнительных источников и жилой застройки [2].
Для решения поставленных задач необходимо, чтобы существующая система мониторинга обеспечивала достоверные и репрезентативные сведения о содержании примесей в атмосферном воздухе. В связи с этим в городе требуется размещать весьма значительное количество метеопостов наблюдений, что в настоящее время далеко не всегда возможно. Одним из возможных путей выхода из создавшейся ситуации является использование природных планшетов. В частности, проведения в зимнее время дополнительных исследований загрязнения снегового покрова города различными примесями
[3]. Для анализа процессов длительного загрязнения этот подход может оказаться значительно эффективнее, поскольку позволяет обеспечить непрерывность измерений и создать необходимую плотность сети наблюдений.
1. Метод асимптотических разложений полей загрязнения территорий города
Поле концентрации лёгкой примеси от точечного источника мощности М за длительный промежуток времени может быть описано следующим соотношением [1]
где г- полярные координаты расчетной точки с началом в месте расположения источника, гт - расстояние от источника, на котором достигается
зависящий от метеорологических переменных, Р(Ф) - повторяемость
направлений ветра за рассматриваемый промежуток времени.
(1)
максимальная приземная концентрация, 0 - агрегированный параметр,
Тогда с учётом (1) концентрацию примеси в случае площадного источника $ в точке М (х, у) е 5 можно представить в виде
т(^,П)р(р +180°)
О ( .V ) = е-Ц----------------^-4
-С^сСц . (2)
т
Б с12е с
где (%,ц) - текущие координаты источника в точке Мі (%,гї)є Б, т (£,ч)
( \ I--------------
у__м /2 2
эмиссия примеси, р(%,ц,х, у) = аг^ ——- , С = |М^М| = */(х _%) +(у _м) .
V х _^у
На практике мощность эмиссии площадного источника т (^,м), как
правило, неизвестна, либо может быть задана лишь весьма приближенно. В таких условиях интерпретация данных наблюдений с помощью соотношения (3) становиться достаточно затруднительной. В этом случае целесообразно проводить оценивание (2) с использованием его асимптотических представлений и измеренных значений концентраций в области Б. Учитывая,
С = ф
1 1
что
2 2 [г + Гі _ 2 ггі
получим [4]
С
я4-
1 + а _ 2а/л г п=°
л Ж
= - XаПрп (м)
(3)
где г =
ОМ
г1 =
()М\
Тл
а = —, /л = , Рп(/л) - полином Лежандрап
г
- го порядка.
Подстановка конечного числа членов ряда (3) в соотношение (2) создаёт возможность построения различных приближений поля концентрации лёгкой
примеси внутри области $ .
2. Интерполяция по территории города фоновых концентраций
В практике Общегосударственной службы наблюдений и контроля за загрязнением атмосферного воздуха основным источником экспериментальной информации для определения фона являются данные стационарных или маршрутных постов (ПНЗА). Значения фонового загрязнения определяются лишь в наборе дискретных точек - местах размещения ПНЗА, которые могут находиться как близко друг от друга, так и на значительном удалении (до 10-15 км). В настоящее время в Унифицированной программе расчёта загрязнения атмосферы фон интерполируется по следующей формуле при безразмерном параметре а =2 [5]
С
ф
(4)
где Сфг - значение фона для ьтого ПНЗА; Сф. - значение фона для j-той
расчётной точки, не совпадающей ни с одним ПНЗА; г (км) - удаление і-того
ПНЗА от j-той расчётной точки; п 'п - число ПНЗА, для которых установлены значения Сфг рассматриваемого вещества.
Рекомендованное в формуле (4) значение а =2 принято на основании учёта некоторых общих закономерностей атмосферной диффузии слабооседающей примеси от большого числа низких источников, рассредоточенных по значительной территории. В частности, к ним следует отнести автомагистрали, источники частного сектора, пылящие поверхности на территории города и т.д.
В соотношении (4) параметр а может несколько варьироваться в зависимости от рассматриваемой примеси. Следует также отметить, что на практике значения фона, определённые для конкретных ПНЗА, часто необоснованно распространяются на удалённые расстояния. Поэтому к числу важных характеристик относятся радиусы зон репрезентативности ПНЗА, которые зависят от пространственной изменчивости фона [5].
2. Численная интерполяция данных наблюдений загрязнения бенз(а)пиреном снежного покрова г. Барнаула
Регулярные измерения загрязнения атмосферного воздуха г. Барнаула проводятся на пяти ПНЗА. На рис. 1 и рис. 2 указано их положение на территории города. Измерения же содержания бенз(а)пирена (БП) выполняются лишь на ПНЗА № 1 и № 13, что явно недостаточно для объективной оценки загрязнения БП территории всего города.
Рис. 1. Интерполированное с постов № 1 и № 13 поле концентрации бенз(а)пирена (нг/л) в снежном покрове г. Барнаула
Для выхода из этой непростой ситуации могут быть использованы дополнительные наблюдения загрязнения снежного покрова в различных точках города, в том числе и на постах. С использованием соотношения (4) на рис. 1 и рис. 2 представлены результаты интерполяции полей загрязнения БП снежного
покрова по измерениям на ПНЗА № 1 и № 13 и на всех пяти постах соответственно в конце зимнего сезона 2011 г. Интерполяционное поле БП на рис. 1 имеет довольно простую структуру и пригодно для ограниченного использования. На значительных удалениях от рассматриваемых постов, особенно за пределами городской территории его поведение явно не правдоподобно.
Рис. 2. Интерполированное с пяти постов поле концентрации бенз(а)пирена
(нг/л) в снежном покрове г. Барнаула
Поле концентрации БП, представленное на рис. 2, заметно усложняется. Анализ рис. 2 показывает, что в области между ПНЗА № 1, № 6 с одной стороны и ПНЗА № 18 с другой стороны интерполяционное поле БП меняется монотонным образом, что позволяет сделать предположение о подчинённом положении ПНЗА № 3, № 13 относительно вышеперечисленных. И
действительно, проверка этого предположения показывает, что интерполяционное поле концентрации БП, построенное по данным наблюдений на постах с №№ 1, 6 и 18, качественно и количественно вполне воспроизводит поле БП, построенное по всем пяти постам.
БИБЛИГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 199 с.
2. Берлянд М.Е., Безуглая Э.Ю., Генихович Е.Л., Зашихин М.Н., Оникул Р.И. О методах определения фонового загрязнения атмосферы в городах // Труды ГГО, 1984. - Вып. 479. - С.17-30.
3. Василенко В.Н., Назаров И.М., Фридман Ш.Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова. Л: Гидрометеоиздат, 1985. 182 с.
4. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1972. 735 с.
5. Грачёва И.Г., Оникул Р.И., Яковлева Е.А. Об интерполяции по территории города фоновых концентраций атмосферных примесей // Труды ГГО, 1998. - Вып. 549 - С. 98-107.
© Т.В. Ярославцева, В.Ф. Рапута, К.О. Шутова, 2012
