Оценка влияния загрязнений атмосферы предприятиями топливно-энергетического и автотранспортного комплексов в районах плотной городской застройки

Гендлер С.Г.; Домпальм Е.И.; Кузнецов В.С.; Авраамова Н.С.; Карионова Д.В.

В.С. Кузнецов, Н.С. Авраамова, А.В. Карионова, 2002

УАК 622.8

С.Г. Генллер, Е.И. Аомпальм, B.C. Кузнецов,

Н.С. Авраамова, А.В. Карионова

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ АТМОСФЕРЫ ПРЕАПРИЯТИЯМИ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И АВТОТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСОВ В РАЙОНАХ ПЛОТНОЙ ГОРОАСКОЙ ЗАСТРОЙКИ

Среди различных воздействий городов на природу в целом наибольшее практическое значение имеет загрязнение воздуха различными веществами, выбрасываемыми транспортом, промышленными предприятиями и отопительными системами. Наиболее интенсивное и разностороннее отрицательное действие наблюдается, естественно, в непосредственной близости от источников загрязнения, главным образом в крупнейших городах, являющихся одновременно многофункциональными промышленными центрами. Так, в Токио в атмосферу ежегодно поступает около 2,5 млн т газообразных выбросов; в Лондоне, Ливерпуле, Питтсбурге на каждый 1 км2 площади ежегодно выпадает по 400-700 т сажи и пыли. Содержание примесей в воздухе многих западных городов превышает предельно допустимые нормы в 5-10 раз. Загрязняющее воздействие городов не кончается на границе практически улавливаемого воздействия. Многие опасные выбросы могут давать вполне ощутимый разовый эффект в региональном и даже глобальном масштабах. Надо иметь в виду, что воздушная миграция загрязнителей продолжается в других звеньях круговорота - биогенном и водном. Большинство выбросов города любого размера проходит многозвенный цикл миграции. Наиболее прост путь выбросов, попадающих в реки и водоемы через канализацию. Это преимущественно промышленные и бытовые стоки. Однако помимо них существуют более сложные и значительно труднее поддающиеся учету и контролю пути поступления различных городских стоков в водоемы. Источниками их служат пригородные сельскохозяйственные угодья, загрязненные удобрениями и ядохимикатами, рекреационные территории, городские свалки промышленных и бытовых отходов. Плоскостные стоки загрязняют почвенные и грунтовые воды, так как их трудно локализовать и изолировать от биологического круговорота на суше.

В настоящее время основным фактором риска в городе Санкт-Петербурге является загрязнение атмосферного воздуха. Уровень загрязненности воздуха в Санкт-Петербурге определяется выбросами загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных и передвижных источников (в первую очередь автотранспорта).

Валовый выброс (всего) загрязняющих веществ в атмосферу Санкт-Петербурга от стационарных и

передвижных источников в 2000 г. составил 260,4 тыс. т, в том числе: твердых — 8,5 тыс. т; диоксида серы — 12,2 тыс. т; оксида углерода — 177,4 тыс. т; оксидов азота (в пересчете на диоксид азота) — 37,6 тыс. т;

летучих органических соединений (ЛОС) — 20,8 тыс. т.

Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников в 2000 г. составили:

всего — 59,2 тыс. т, в том числе:

твердых — 8,5 тыс. т; диоксида серы — 12,2 тыс. т; оксида углерода — 7,6 тыс. т; оксидов азота — 22,7 тыс. т;

ЛОС — 4,3 тыс. т.

Анализ данных, предоставляемых НИИ атмосферы МПР России показывает, что выбросы от передвижных источников (автотранспорта) в 2000 г. по сравнению с 1999 г. существенно выросли. Увеличение выбросов от автотранспорта в атмосферу Санкт-Петербурга составило: по оксиду углерода — 10,5%; по оксидам азота — 16,4%; по ЛОС — 10,0%. Рост выбросов от автотранспорта явился следствием существенного роста парка автотранспортных средств, в первую очередь, автомобилей индивидуальных владельцев. По данным ГИБДД о количестве автотранспортных средств, зарегистрированных в Санкт-Петербурге в 1999 и 2000 гг. следует, что рост парка автомобилей в 2000 г. по сравнению с 1999 г. составил 30,1%, в том числе: для физических лиц — 30,5%; для юридических лиц — 27,5%.

Суммарные выбросы загрязняющих веществ (от стационарных и передвижных источников) в 2000 г. по сравнению с 1999 г. выросли на 6,3%, в том числе в наибольшей степени по летучим органическим соединениям (ЛОС) — на 13,7% и оксиду углерода — на 29,5% [1].

Общая направленность климатических процессов в городе, обусловленная мощным загрязнением атмосферы, следующая: увеличение количества атмосферных осадков, повышение влажности воздуха, повышение температуры воздуха, помутнение воздуха, уменьшение солнечной радиации, увеличение количества туманов. В зависимости от метеоусловий слой загрязнения атмосферы над центром Санкт-Петербурга составляет от 50 до 200 м. ТПп-лый воздух над городом образует "острова тепла" с повышенным содержанием примесей: сажи, пыли, золы, бензина, различных газов и т.д. Наличие загрязнений способствует формированию облачности. Над крупными городами увеличивается количество осадков, гроз: над Санкт-Петербургом частота гроз на 18%, а повторяемость осадков на 25-40% выше, чем над окрестностями. Мутность атмосферы в Санкт-Петербурге на 15% выше, чем за городом, в результате чего каждый житель северной столицы

недополучает наиболее активной ультрафиолетовой радиации.

Все выше перечисленные факторы в большей или меньшей степени влияют на безопасность жизнедеятельности мегаполисов, конечным критерием оценки которой является здоровье населения. В настоящей работе не ставилась задача исследовать влияние на окружающую среду всего комплекса процессов, связанных с жизнедеятельностью мегаполисов. На первом этапе рассматривалось воздействие на окружающую среду в районах плотной городской застройки работы предприятий топливно-энергетического комплекса, а также негативные эффекты, связанные с движением транспортных средств (прежде всего выделение токсичных компонентов в атмосферу). Кроме того, сделана попытка обосновать методический подход, на основе которого можно оценить комплексное влияние на окружающую среду города аэротехноген-ных процессов.

Уровень приземной концентрации вредных веществ в атмосфере от стационарных и подвижных объектов при одном и том же массовом выбросе может существенно меняться в атмосфере в зависимости от техногенных (интенсивность и объем выброса вредных веществ; высота расположения устья источника выбросов от поверхности земли; размер территории, на которой происходит загрязнение; уровень техногенного освоения региона) и природно-климатических факторов, таких как характеристика циркуляционного режима; термическая устойчивость атмосферы; атмосферной давление, влажность воздуха, температурный режим; температурные инверсии, их повторяемость и продолжительность; скорость ветра, повторяемость застоев воздуха и слабых ветров (0—1 м/с), продолжительность туманов, рельеф местности, геологическое строение и гидрогеология района; почвенно-растительные условия (тип почв, водопроницаемость, пористость, гранулометрический состав почв, эродированность почвенного покрова, состояние растительности, состав пород, возраст, бонитет); фоновые значения показателей загрязнения природных компонентов атмосферы, в том числе существующих уровней шума [3].

В природной среде непрерывно меняются температура воздуха, скорость, сила и направление ветра, поэтому распространение энергетических и ингре-диентных загрязнений происходит в постоянно в новых условиях. В Санкт-Петербурге неблагоприятные по условиям загрязнения воздуха метеорологические условия, связанные с застоями воздуха и инверсиями, создаются летом, преимущественно в ночные часы при слабых северных и восточных ветрах. Рассеивание отработавших газов зависит от направления и скорости ветра.

Более высокая температура у поверхности земли в дневное время заставляет воздух подниматься вверх, что приводит к дополнительной турбулентности. Ночью температура у поверхности земли более жаркая, поэтому турбулентность уменьшается. Это явление служит одной из причин лучшего распространения звука ночью по сравнению с дневным

временем. Рассеивание отработавших газов, наоборот, уменьшается.

Способность земной поверхности поглощать или излучать теплоту влияет на вертикальное распределение температуры в приземном слое атмосферы и приводит к температурной инверсии (отклонение от адиабатности). Повышение температуры воздуха с высотой приводит к тому, что вредные выбросы не могут подниматься выше определенного уровня. В инверсионных условиях ухудшается турбулентный обмен, ухудшаются условия рассеивания вредных выбросов в приземном слое атмосферы. Для приземной инверсии особое значение имеет повторяемость высот верхней границы, для приподнятой инверсии — повторяемость нижней границы. Сочетание природных факторов, определяющих возможный уровень загрязнения атмосферы, характеризуется метеорологическим и климатическим потенциалом загрязнения атмосферы, а также и высотой слоя перемешивания, повторяемостью приземных и поднятых инверсий, их мощностью, интенсивностью, повторяемостью застоев воздуха, штилевых слоев до различных высот [3].

Моделирование сценариев воздействия объектов топливно-энергетического комплекса на воздушный бассейн мегаполиса проводилось с учПтом работы котельной на двух видах топлива (уголь и мазут) при различных мощностях (5, 10, 15, 20 Гкал/час). В качестве основных расчетных токсичных компонентов рассматривались диоксид азота, сернистый ангидрид и бенз(а)пирен. Моделирование рассеивания вредных веществ в атмосфере проводилось с помощью пакета прикладных программ серии "Эколог" (версия 2.55).

Результаты расчПтов выбросов от котельной и их рассеивания показывают, что работа котельной на любом из исследуемых типов топлива при любой из заданных мощностей, не вносит значительного вклада в загрязнение атмосферы города по диоксиду азота. Значения опасности загрязнения атмосферы (С, /ПДК, ) в точке наблюдения находятся в пределах 1,000-1,040.

Иная ситуация при оценке рассеивания по бенз(а)пирену. При работе котельной на мазуте выделения банз(а)пирена минимальны при любой мощности работы котельной. Но при использовании в качестве топлива угля концентрация бенз(а)пирена резко возрастает с увеличением мощности (рис. 1). РасчПты рассеивания выбросов бенз(а)пирена по-

Рис. 1. Образование выбросов бенз(а)пирена в зависимости от мощности котельной работающей на угле и мазуте.

Рис. 2. Рассеивание выбросов бенз(а)пирена от стационарного источника (котельная, мощность 20 Гкал/час, тип топлива - уголь)

Рис. 3.(а,б). Распределение окислов азота перпендикулярно относительно кромки проезжей части в солнечную и дождливую погоду (соответственно).

казывают, что при таком развитии сценария в зоне жилой застройки уровень ПДК превышается на 560%. (рис. 2.).

Учитывая повышенную опасность данного компонента газовоздушной смеси (ПДКс.с. = 0,0000010 мг/м3) такой сценарий развития событий недопустим.

Оценка уровня загрязнения воздушной среды отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания автотранспорта в г. Санкт-Петербурге (Василеост-ровский район) проводилась на основе расчПта, методика которого включает поэтапное определение эмиссии окиси углерода, оксидов азота и углеводородов и концентрации загрязнения воздуха этими газами на различном удалении от автотранспортной магистрали.

Рассчетные концентрации С мг/м3, токсичных компонентов отработавших газов на различном удалении от автотранспортной магистрали определялись с использованием модели Гауссового распределения примесей в атмосфере на небольших высотах:

С

-+Fj

(1)

л/2П • а • (jv • мпф

где а - стандартное отклонение Гауссового рассеивания в вертикальном направлении, м; vv - скорость ветра, преобладающего в расчПтный период, м/с; ф -угол, составляемый направлением ветра к трассе дороги; Fj - фоновая концентрация загрязнения воздуха, мг/м3 .

РасчПт концентраций и их распределение на разных удалениях от трассы осуществлялись при помощи пакета прикладных программ «MICROSOFT WINDOWS PROFESSIONAL - 2000».

Результаты расчПтов сопоставлялись с ПДК для токсичных составляющих отработавших газов тепловых двигателей в воздухе населенных мест.

РасчПты были проведены для условий Университетской набережной, как одной из интенсивных транспортных магистралей г. Санкт-Петербурга. При этом рассматривались различные сценарии рассеивания выхлопных газов автомобилей. Рассмотренные транспортные потоки отличались друг от друга интенсивностью, составом и скоростью движения. Характеристика каждого из рассмотренных сценариев приведены в таблице. В качестве основного варианта выбран сценарий №2, который характеризует фактические показатели транспортного потока на Университетской набережной. Коме того, рассмотрены транспортные потоки с уменьшенной в два раза интенсивностью движения транспортных средств, а также с интенсивностью движения, увеличенной соответственно в 1.5, 2 и 2.5 раза.

Результаты расчПтов сопоставлялись с ПДК для токсичных составляющих отработавших газов тепловых двигателей в воздухе населПнных мест.

Результаты расчета концентраций токсичных соединений, выделяющихся при работе ДВС, свидетельствуют о превышении ПДК по диоксиду азота при фактической интенсивности движения автотранспорта на расстояниях от проезжей части, меньших 60 м; при повышении интенсивности движения в 1,5 и 2 раза расстояния, на котором концентрация диоксида азота превышает ПДК увеличивается до 150 м и 200 м. При этом концентрация диоксида азота в 10 м от проезжей части при факти-

ХАРАКТЕРИСТИКА СЦЕНАРИЕВ ВОЗЛЕЙСТВИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ НА ВОЗЛУШНЫЙ БАССЕЙН

Категории автотранспорта

Легковые Груз.< 3.5 т Груз. карб. Авт. карб. Авт. диз.

1. 1077 11 3 3 3

2. 2153 21 5 5 5

3. 3230 14 8 8 8

4. 4306 42 10 10 10

5. 5383 53 13 13 13

ческой и увеличенной в 1,5-2 раза интенсивностях движения может соответственно достигать 4ПДК, 6ПДК и 7ПДК (рис. 3 а, б).

Поскольку конечным критерием безопасности жизнедеятельности мегаполисов выбран критерий здоровья населения, то безусловно важным является выбор той или иной модели функционирования предприятий топливно-энергетического и автотранспортного комплексов на основе оценки рисков проявления отрицательных эффектов воздействия загрязнения воздушной среды различными компонентами.

Принято считать, что приемлемое значение риска немедленных рефлекторных эффектов (приемлемый риск) оценивается величинами в пределах 0,02-0,05 (когда допускается, что от 20 до 50 человек из каждой 1000, подвергнутой экспозицией максимальных уровней загрязнения, могут проявить рефлекторные реакции) [2]. Максимальный риск немедленного действия выражается в вероятности ощущения населением неприятных запахов или развития иных рефлекторных

реакций (слезоточение, кашель), дискомфортных состояний, головной боли и т.д.

Специалистами НИИ атмосферы МПР России были найдены количественные соотношения между величинами приемлемых рисков проявления немедленных эффектов и концентрациями диоксида азота [2]. Согласно расчПтам, риск будет приемлемым при концентрациях диоксида азота в воздухе не более 0,25-0,28 мг/м3.

Основываясь на данном факте, применительно к моделированию ситуации с автотранспортными потоками наилучшими с точки зрения приемлемого риска будут ситуации 1 и 2 (интенсивность 1 и 2) в солнечную погоду, а в дождливую - только ситуация 1.

Таким образом, оценивая приемлемый риск по совокупности ингредиентов, можно выбрать наиболее эффективный вариант взаимодействия топливно-энергетического и автотранспортного комплексов мегаполиса.

------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Состояние атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге в 2000 году (Г.Т. Фрумин, М.Н. Петрова, Северо-Западное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды)/Охрана окружающей среды, природопользование и обеспечение экологической безопасности в Санкт-петербурге в 2000 году/Под

ред. Д.А. Голубева, Н.Д. Сорокина. -СПб., 2001.

2. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу Санкт-Петербурга в 2000 году и прогноз развития ситуации на ближайшие годы (В.Б. Миляев, Р.А. Шатилов, Н.М. Иванова, НИИ атмосферы МПР России)/ Охрана окружающей среды,

природопользование и обеспечение экологической безопасности в Санкт-петербурге в 2000 году/Под ред. Д.А. Голубева, Н.Д. Сорокина. -СПб., 2001.

3. Луканпн В.Н, Трофименко Ю.В. Промышленно-транспортная

экология: Учеб. Для вузов/ Под ред. В.Н. Луканина. - М.: Высш.шк., 2001.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Гендлер С.Г. - профессор, доктор технических наук, проф. каф. «Экология, аэрология и охрана труда», Санкт-Петербургский государственный горный институт.

Домпальм E.h. - доцент, кандидат технических наук, каф. «Экология, аэрология и охрана труда», Санкт-Петербургский государственный горный институт.

Кузнецов В.С., Авраамова Н.С., Карионова Д.В. - студенты, ассистенты профессора, Санкт-Петербургский государственный горный институт.

горных выработок, одни из которых непосредственно используются для движения транспортных средств, а другие для - организации вспомогательных процессов, обеспечивающих безопасность жизнедеятельность подземных объектов в штатных (вентиляция, водоотлив, электроснабжение, освещение и т.п.) и чрезвычайных ситуациях. Для каждой из выработок, задействованной при эксплуатации подземных объектов, обосновывает-

Сся комплекс нормативов, позво-

овременные подземные транспортные соору- ляющих минимизировать вероят-

жения представляют собой сложные системы ность возникновения аварийной ситуации. Посколь-

УЛК 622.8

С.Г. Геиллер, В.А. Соколов, Б.Н., Пишик

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ МИКРОКЛИМАТА В СЕВЕРО-МУЙСКОМ ЖЕЛЕЗНОЛОРОЖНОМ ТОННЕЛЕ