CC BY
21
https://orcid.org/0000-0002-5553-3299 https://orcid.org/0000-0003-0426-7768 https://orcid.org/0000-0003-0288-8675
УДК 528.9
I.B. КОВАЛЕЦЬ*, О.В. ХАЛЧЕНКОВ*, В.1. НОЧВАЙ*
П1ЛОТНЕ ДОСЛ1ДЖЕННЯ З КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛЮВАННЯ АТМОСФЕРНОГО ЗАБРУДНЕННЯ М. КИ1В
1нститут проблем математичних машин и систем НАН Украши, м. Кшв, Украша
Анотаця. У po6omi вперше проведено птотне моделювання атмосферного забруднення у м. Кигв eid ycix вiдомих джерел дiоксиду азоту, дiоксиду арки та aMiaKy. Для моделювання використано як дат звiтностi Держстатистики «2-ТП Повтря» щодо рiчних обсягiв викидiв вiд стащонарних джерел у м. Кигв, так i дан мiжнародноi георозподтеног бази даних викидiв EMEP, яка склада-етъся на niдставi звiтiв про обсяги викидiв вiд окремих крагн. Також було проведено оцшку обсягу та просторового розподту викидiв SO2 та NO2 вiд автотранспорту. Оцтки EMEP щодо викидiв вiд стащонарних джерел для уах розглянутих речовин завжди бтъше, тж вiдповiднi дан 3i звiтiв Держстатистики. Автотранспорт, згiдно iз проведеними оцтками, вiдповiдаe менше тж за 50% викидiв SO2 та NO2 у м. Кигв. Попри не дуже реалттичний просторовий розподт викидiв у даних EMEP, моделювання на основi цих даних дозволяе отримати краще ствпадтня резулътатiв ро-зрахунюв iз даними вимiрiв, тж моделювання на основi даних емiсiй зi звiтiв Держстатистики. Але навтъ у сценарп викидiв EMEP розрахован концентрацп SO2 та NO2 занижен у порiвняннi з даними вимiрiв приблизно у 2 рази, що свiдчитъ про вiдповiдне заниження обсягiв викидiв у даних EMEP та набагато бтъше заниження викидiв у звтах Держстатистики. Щодо амiаку, навтъ у сценарп EMEP, в якому емiсii NH3 у дектъка разiв перевищуютъ вiдповiднi обсяги зi звiтiв Держстатистики, розрахован концентрацп у 7-25 разiв занижен у порiвняннi з даними вимiрiв NH3. З отриманих резулътатiв можна зробити висновок, що на державному рiвнi у даних Держстатистики наявна тформащя ттъки про дектъка вiдсоткiв вiд загалъного обсягу викидiв амiаку у м. Кигв. Резулътати роботи свiдчатъ про необхiднiстъ невiдкладного виконання рекомен-дацт експертiв EMEP, наявних в опублтовант рецензп на Нацюналъний звт Украгни за даним протоколом, i, в першу чергу, складання i верифтащя георозподтеног твентаризацп викидiв згiдно з методиками EMEP.
Ключов1 слова: забруднення атмосфери,САЬРиЕЕ, Кигв, SO2, NO2, NH3, EMEP.
Аннотация. В работе впервые проведено пилотное моделирование атмосферного загрязнения в г. Киев от всех известных источников диоксида азота, диоксида серы и аммиака. Для моделирования исполъзованы как данные отчетности Госстатистики «2-ТП Воздух» по годовым объемам выбросов от стационарных источников в г. Киев, так и данные международной геораспределен-ной базы данных выбросов EMEP, которая составляется на основании отчетов об объемах выбросов отделъных стран. Также была проведена оценка объема и пространственного распределения выбросов SO2 и NO2 от автотранспорта. Оценки EMEP по выбросам от стационарных источников для всех рассмотренных веществ болъше, чем соответствующие данные из отчетов Госстатистики. Автотранспорт, согласно проведенным оценкам, отвечает менее, чем за 50% выбросов SO2 и NO2 в г. Киев. Несмотря на не оченъ реалистичное пространственное распределение выбросов в данных EMEP, моделирование на основе этих данных позволяет получитъ лучшее совпадение резулътатов расчетов с данными измерений, чем моделирование на основе данных эмиссий из отчетов Госстатистики. Но даже в сценарии выбросов EMEP рассчитанные концентрации SO2 и NO2 занижены по сравнению с данными измерений примерно в 2 раза, что свиде-телъствует о соответствующем занижении объемов выбросов в данных EMEP и гораздо болъ-шем занижении выбросов в отчетах Госстатистики. Для аммиака, даже в сценарии EMEP, в котором объемы эмиссий NH3 в несколъко раз превышают соответствующие выбросы из отчетов Госстатистики, рассчитанные концентрации в 7-25 раз занижены по сравнению с данными измерений NH3. Из полученных резулътатов можно сделатъ вывод, что на государственном уровне в данных Госстатистики имеется информация толъко о несколъких процентах от общего объема выбросов аммиака в г. Киев. Резулътаты работы свидетелъствуют о необходимости безотлага-телъного выполнения рекомендаций экспертов EMEP, содержащихся в опубликованной рецензии
© Ковалець 1.В., Халченков О.В., Ночвай В.1., 2020 ISSN 1028-9763. Математичш машини i системи, 2020, № 1
на Национальный отчет Украины по данному протоколу, и, в первую очередь, составление и верификация геораспределенной инвентаризации выбросов согласно методикам EMEP. Ключевые слова: загрязнение атмосферы, CALPUFF, Кшв, SO2, NO2, NH3, EMEP.
Abstract. For the first time, a pilot simulation of atmospheric pollution in Kiev from all known sources of nitrogen dioxide, sulfur dioxide and ammonia was carried out. For modeling, we used both the reports of on annual emissions of stationary sources in Kiev from the State Statistics Service of Ukraine (SSSE) and the data of the international geo-distributed EMEP emission database, which is compiled on the basis of reports of separate countries. An assessment was also made of the volume and spatial distribution of SO2 and NO2 emissions from vehicles. EMEP estimates for emissions from stationary sources for all substances considered are always greater than the corresponding data from the SSSE reports. According to estimates, road transport is responsible for less than 50% of SO2 and NO2 emissions in Kiev. Despite the unrealistic spatial distribution of emissions in the EMEP data, modeling based on these data allows us to obtain a better match of the calculation results with the measurement data than modeling based on the emission data from the SSSE reports. Even in the EMEP emission scenario, the calculated SO2 and NO2 concentrations are underestimated by about 2 times compared with the measurement data, which indicates a corresponding underestimation of the emission volumes in the EMEP data, and a much greater underestimation of emissions in the SSSE reports. For ammonia, even in the EMEP scenario, in which the volumes of NH3 emissions are several times higher than the corresponding emissions from the SSSE reports, the calculated concentrations are underestimated by 7-25 times in comparison with the data of NH3 measurements. From the obtained results, it can be concluded that at the SSSE reports contain information about only a few percent of the total ammonia emissions in Kiev. The results of the work indicate the need for urgent implementation of the recommendations of EMEP experts contained in the published review of the National Report of Ukraine on this protocol and, first of all, the compilation and verification of geo-distributed emission inventory according to EMEP methods. Keywords: air pollution, CALPUFF, Kyiv, SO2, NO2, NH3, EMEP.
DOI: 10.34121/1028-9763-2020-1-61-72
1. Вступ
PiBeHb атмосферного забруднення у м. Ки!в протягом останнього десятирiччя характеризуемся як високий [1]. Проте окремi дослщження, яю були проведет щодо моделювання атмосферного забруднення у м. Кшв (наприклад, таю, як [2]), стосувались здебшьшого ощнки впливу на навколишне середовище окремих джерел забруднень, таких, як тепловi електростанцп. В окремих дослщженнях [3] зроблено спробу врахування уах джерел забруднень, однак верифшацш проведено на пiдставi недостатньо репрезентативно! вибiрки вимiрiв. Мошторинг атмосферного забруднення у м. Кшв проводиться на регулярнш осно-вi Центральною геофiзичною обсерваторiею (ЦГО) на стащонарних постах спостережень, i в окремих випадках додатковi вшзш монiторинговi дослщження проводяться в обраних районах м. Кшв для з'ясування локального впливу окремих джерел забруднень. Одне з ць кавих дослщжень було проведене ЦГО (керiвник роботи - Л.Я. Табачний) протягом жовт-ня-листопада 2013 р. на Харювському масивi у м. Кшв [4], яке показало значне переви-щення забруднення за рядом показниюв (зокрема, за амiаком, дюксидом арки, фенолом та хлористим воднем (табл. 1)) у даному райош у порiвняннi iз гранично допустимими кон-центращями (ГДК) i з середшми значеннями концентрацш вщповщних речовин по всьому м. Кшв. За такими речовинами, як дюксид азоту, було виявлене перевищення ГДК по всьому м. Кшв. З оглядом на величезну кшькють джерел забруднень у м. Кшв (на рис. 1 показан найбшьш потужш стащонарш джерела зазначених речовин), а також величезний вплив автотранспорту неможливо точно вказати джерела, як призвели до перевищень, зазначених у звт [4], без проведення додаткового аналiзу засобами математичного моделювання. При цьому подiбний аналiз може бути усшшним тшьки за рядом умов, таких як: 1) адекватна ощнка потужностей викидiв з основних джерел забруднень; 2) використання су-часних моделей атмосферно! дисперсп; 3) використання детальних тривимiрних та розпо-
дшених у час метеорологiчних полiв, розрахованих сучасними мезомасштабними метео-рологiчними з урахуванням впливу топографа та титв поверхнi на розподiл метеоролопч-них показниюв в умовах мiста.
Метою роботи е моделювання атмосферного забруднення у м. Ки'1в вiд уах джерел дiоксиду сiрки, дiоксиду азоту та амiаку, спiвставлення результатiв iз даними вимiрiв та верифiкацiя наявних даних швентаризацп викидiв.
2. Оцшки обсяг1в викид1в
2.1. Офiцiйна шформащя Держстатистики
Держстатистика щорiчно публiкуе зв^ «2-ТП Пов^ря» з даними щодо рiчних обсягiв ви-кидiв основних забруднюючих речовин (ЗР) вiд зареестрованих пщприемств 1-1' та 2-1' кате-горiй. Пiдприемства 1-1' категорп е найпотужшшими забруднювачами, якi отримують до-зволи на викиди вiд Мшекологл. Пiдприемства 2-1' категорп у м. Киевi отримують дозволи на викиди вщ КМДА, але звiтуються щодо викидiв у Держстатистики. Пiдприемства 3-1' категорп у м. Киевi отримують дозволи на викиди вщ КМДА, але не зв^уються щодо об-сягiв викидiв, отже, 1'х викиди у зв^ах Держстатистики не представлена Держстатистики веде базу даних щодо викидiв ЗР у рамках зв^носп «2-ТП Пов^ря». На запит 1ПММС вiд Держстатистики надала обсяги викидiв усiх пiдприемств, якi надали зв^шсть у м. Киевi [5] за 2014 р. Надаш данi були оброблеш i встановленi координати уах пiдприемств. Аналiз даних звiтностi дозволив щентифшувати основнi джерела забруднень за такими речови-нами, як дюксид сiрки, дiоксид азоту, амiак тощо (рис. 1). Усього у зв^носп надаеться ш-формацiя щодо понад 300 пiдприемств-забруднювачiв за даними речовинами.
^Ги^еЖ^НЬЗ \ Л
©ЮоуугоЬул—'¿ЕМЕР „
./О"/256040004 « / ................_
1 /\ ] _,4иМ1_РАК
«-.х-*' ' ! |М05|... '
Чг'ЯШР
^ЖЪегд_иА » V'
^Шп, 1^ег«20|Ж«тесьпб1о.91в8 .. ; Ос?од1е Баг^
■ 1тадегу 0а1е:.,9/15/2018 50°25'59.5Г N 30°33'12.14"!Е е!» 190 т '. еуе аИ 27.50 кт 0-
* ча- м:,»
Рисунок 1 - Основш стацюнарш джерела забруднення у м. Киев1 зпдно з результатами обробки даних звтв «2-ТП Пов1тря»
Слiд зазначити, що у порiвняннi з ГДК найбiльше перевищення у дослщженш [4] було виявлене для концентрацш фенолу. Але, як показав аналiз звiту Держстатистики [5], за викидами фенолу кшвсью пiдприемства практично не зв^уються. Натомiсть багато тд-
^немотв звiтyютьcя за загальними викидами нeмeтaнoвих лeтких opгaнiчних cпoлyк (HMЛOС), дo яких нaлeжить i фeнoл, i фopмaльдeгiд, i бaгaтo iнших peчoвин. Oтжe, вста-нoвити джepeлo пepeвищeння фeнoлy y 2Gl3 p. з нaявнoю iнфopмaцiею нeмoжливo. Тoмy y данш poбoтi пpoвeдeнo пiлoтнe мoдeлювaння дioкcидiв cipки та aзoтy, a ташж aмiaкy, за якими ташж бyлo виявлeнe пepeвищeння ГДK y 2Gl3 за даними дocлiджeння [4] (табл. 1).
Таблиця 1 - Ocepeднeнi знaчeння вимipiв кoнцeнтpaцiй зaбpyднюючих peчoвин y пoвiтpi, oтpимaнi в poбoтi [4] за жoвтeнь-лиcтoпaд 2Gl3 p._
Рeчoвинa Сepeдня кoнцeнтpaцiя, мг/м3
Хapкiвcьк. мacив KHÏB
Загал. Лiвий бepeг
Дioкcид cipm 0,055 0,024 0,023
Oкcид вyглeцю 1 0,6 0,2
Дioкcид aзoтy 0,065 0,095 0,083
Oкcид aзoтy 0,030 0,07 -
Сipкoвoдeнь 0,002 0,001 0,001
Фтopиcтий вoдeнь 0,005 0,005 0,003
Хлopиcтий вoдeнь 0,094 0,060 0,040
Фopмaльдeгiд 0,007 0,007 0,006
Aмiaк 0,043 0,010 0,010
Фeнoл 0,006 0,001 0,001
Пил 0,14 0,12 0,10
Бeнз/a/пipeн (нг/м3) 0,3 0,2 0,3
2.2. Данi викид1в за протоколом EMEP
У paмкaх мiжнapoднoгo пpoтoкoлy EMEP, щo дiе пiд eгiдoю OOH, У^аша надае зв^шсть щoдo oбcягiв викидiв за piзними ЗР та piзними видами дiяльнocтi. На вiдмiнy вiд У^аши, бiльшicть ^шн видае дaнi y гeopoзпoдiлeнoмy виглядi, щo пepeдбaчaетьcя yгoдoю EMEP. Рeцeнзiя на звiти У^аши y paмкaх пpoтoкoлy EMEP, oпyблiкoвaнa на caйтi ще! opгaнiзa-цп (https://www.ceip.at/fileadmin/inhalte/emep/pdf/2Gl8_S3/Ukraine_S3_Review2018_.zip), peкoмeндyе У^шт тaкoж надавати даш щoдo oбcягiв викидiв ЗР y гeopoзпoдiлeнoмy ви-глядi. Пpoтe викиди зi звiтiв iз У^аши та iнших ^arn, якi да надали викиди y гeopoзпoдi-лeнoмy виглядi cпeцiaлicтaми EMEP, тaкoж пepeтвopюють викиди на пpocтopoвiй ciтцi з дoзвoлoм G,l гpaд (lll км y мepидioнaльнoмy нaпpямкy) [6].
Для ташго пepeтвopeння викopиcтoвyетьcя cпeцiaльнa мeтoдикa, яка вpaхoвyе rap-ти poзпoдiлy нaceлeння, дopiг тoщo i бyлa викopиcтaнa для cклaдaння глoбaльнoгo гeopoз-пoдiлeнoгo iнвeнтopa викидiв EDGAR [7]. Phc. 2 пpeдcтaвляе викиди y тoн/piк/км2 y 2Gl3 p. за даними EMEP для тepитopiï нaвкoлo Kиевa (пpeдcтaвлeнi тiльки SO2 та NH3, тoдi poзпoдiл викидiв NO2 aнaлoгiчний poзпoдiлy викидiв SO2 i близький за aмплiтyдoю вики-дiв). Як виднo з pиcyнкiв, викиди SO2 та NO2 хapaктepизyютьcя вeликим мaкcимyмoм, poзтaшoвaним пpиблизнo y пiвдeннiй чacтинi м. Ки1в. Вiдпoвiднa кoмipкa EMEP нe no-внicтю знaхoдитьcя в мeжaх м. Kиевa, aлe caмe викиди з ще! кoмipки peпpeзeнтyють м. Ки1в y глoбaльнoмy iнвeнтopi викидiв EMEP.
Рисунок 2 - Просторовий розподш сумарно! штенсивносп викидiв ЗР згiдно з даними EMEP
(тон/км2/рiк); злiва - SO2, справа - NH3
2.3. Оцшка викид1в вiд автотранспорту у м. Кшв
Обсяг викид1в ЗР в атмосферне повггря у м. Киев1 у 2013 рощ, за даними оргашв статистики, складав 247,7 тис. т [8], 1з них 215,8 тис. т вщ пересувних джерел, зокрема, вщ автотранспорту - 205,8678 тис. т [9], 1 лише 31,9 тис. т викид1в вщ стацюнарних джерел [10] (тобто, лише 17% вщ загального обсягу емюп ЗР у мсп). Обсяг автомобшьних викид1в дюксиду азоту був 17981,6 т [11] 1 складав 60% вщ загальних викид1в у м. Киев1, оксиду азоту - 66% (118,8 т), оксиду вуглецю - 96 (158112,0 т), неметанових летких оргашчних сполук - 82% (25021,2 т). Водночас по ряду шших ЗР переважали викиди вщ стацюнарних джерел. Так, обсяг дюксиду арки вщ автотранспорту склав лише 13% (1784,8 т), саж -30% (2132,1 т) В основу офщшно! методики розрахунку статистичних показниюв викид1в забруднюючих речовин та парникових газ1в у пов1тря вщ транспортних засоб1в [12] покла-деш статистичш даш щодо споживання палива двигунами внутр1шнього згоряння автотранспорту юридичних 1 ф1зичних ос1б, зал1зничного, водного й ав1ацшного транспорту, а та-кож питом1 викиди забруднюючих речовин, як1 надходять у пов1тря вщ використання 1 -е! тонни палива. При моделюванш необхщно враховувати нер1вном1ршсть руху транспорту [13]. Найбшьшу кшьюсть емюп ЗР спричиняють перемшш режими роботи двигуна (р1зка змша швидкосп, пуску, в холостому режим1). Близько 50% викид1в автотранспорту в межах мюта припадае на траси з малою швидкютю руху 1 менше 25% - на швидюснш трас [14]. Також р1вень забруднення пов1тря шкщливими викидами автомобшв залежить вщ !х техшчного стану у процес експлуатацп, якосп пального, структури автопарку, об'ему перевезень 1 величини пробЫв. Р1чш викиди Q дюксиду с1рки, дюксиду азоту в атмосферне повггря за даними сайту Головного управлшня статистики у м. Киев1 [15] були розподь леш в емюшнш модел1 «згори - до низу» по атковш обласп (17x15 ком1рок розм1ром 2x2 км) , 7 = 1, ...,255 з урахуванням коефщ1енпв просторово!' неоднорщносп, К, пронормо-ваних у д1апазош вщ 0 (вщсутшсть автошлях1в у ком1рщ) до 3 (максимальна довжина ав-тошлях1в, що потрапили в ком1рку, щшьшсть потоку 1 наявшсть затор1в) та коефщ1енпв змши штенсивносп руху за мюяцями року (Км), годинами доби та днями тижня (Кд):
( / 255 ^
О, =Kj О ПТ К, КМКВ. Коефщент просторовоТ неоднорщносп емюп ЗР для кожно'1 ко-
V / 1=1 У
м1рки тут оцшюеться за формулою К — с/* К т Ка, де Ь - довжина автошлях1в, що потрапили в ком1рку, q - середня щшьшсть потоку стабшьного руху [16], Кт - коефщ1ент нер1вном1рносп штенсивносп руху транспорту на магютралях загальномюького значення, К - коеф1щент р1вня обслуговування - пщвищення щшьносп потоку при переход1 до не-
стабшьного руху [17]. На рис. 3 показаш р1вш штенсивносп викид1в вщ автотранспорту SO2 та N02 за 2013 р. (г/м2с), як були використаш у подальших розрахунках.
2.4. Порiвняння р1зни\ оц1нок викид1в
Пор1вняемо даш викид1в по м. Ки!в згщно з оцшками EMEP з даними з1 звтв Держстатис-тики «2-ТП Пов1тря» за 2014 р1к 1 з додатковими оцшками викид1в вщ автотранспорту, зробленими у данш робота При обробщ даних ЕМЕР м. Ки!в було покрито с1ткою з розмь ром «др1бних» ком1рок 800х800 м. Кожна др1бна ком1рка попадала в одну з «великих» ко-м1рок с1тки ЕМЕР. Потужшсть джерела на одиницю площ1 (г/м2с) вважалася р1вною у ве-ликш та др1бнш ком1рках. Але при сумуванш обсяпв викид1в враховувались тшьки т1 др1-бн1 ком1рки, яю попадали на територ1ю м. Киева. Таким чином, тшьки частина викиду з велико! ком1рки ЕМЕР з найбшьшим викидом, яка обговорювалась вище (рис. 2), врахову-валась як викид у м. Ки!в, що могло призвести до заниження обсяпв викид1в у м. Ки!в при обробщ даних ЕМЕР. Проте нав1ть при такому способ1 обробки, стосовно викид1в в1д р1з-них стащонарних джерел та енергетичних установок, ощнки ЕМЕР для вс1х 4-х розгляну-тих речовин (КН3, СО, S02, N02) завжди б1льше, н1ж т1, що дають наш1 зв1ти Держстатис-тики «2-ТП Пов1тря». Причому, якщо по S02 заниження даних по стащонарних джерелах з1 зв1т1в 2-ТП у пор1внянш з ЕМЕР пор1вняно невелике - близько 30%, то по N02 1 СО це заниження вже у 3-5 раз1в, а по КН3 - у 7 раз1в бшьше. Також варто звернути увагу 1 на те, що, всупереч розхожш думщ, автотранспорт, згщно з оц1нками ЕМЕР, не е домшуючим джерелом у Киев1 н1 по S02, н1 по N02. Ощнки викид1в в1д автотранспорту, зроблеш у да-н1й робот1 та описан1 вище, зазначен1 у рядку «1ПММС» у табл. 2. Як видно з наведених даних, ощнки викид1в вщ автотранспорту 1ПММС значно перевищують оц1нки викид1в вщ автотранспорту ЕМЕР, але все одно, нав1ть зг1дно з оц1нками 1ПММС, вплив автотранспорту не е домшуючим, якщо пор1вняти його з загальним обсягом викид1в S02 та N02 в ш-вентор1 ЕМЕР.
Таблиця 2 - Пор1вняння обсяпв викид1в у м. Ки!в вщ р1зних джерел та зг1дно з р1зними базами даних
1нвентори Загальна к1льк1сть, тонн Автотранспорт, тонн Стащонарш +енергетичш установки, тонн
NH3
EMEP 1001 0.44 523+1.3
2-ТП 76
ТО
EMEP 21546 10036 8468+2215
2-ТП 2100
862
EMEP 14480 534 246 +13325
2-ТП 9847
1ПММС 1270
NOx
EMEP 24455 2306 2510+18887
2ТР 7813
1ПММС 13800
Рисунок 3 - 1нтенсившсть викид1в ЗР (г/м2с) вiд автотранспорту, оцiнена для 2013 р;
SO2 - зверху; NO2 - знизу
3. Результати моделювання забруднення 3.1. Моделювання метеоролопчних умов
Моделювання метеоролопчних умов за перюд вим1р1в (03.10-06.12.2013 р.) здшснювалось i3 використанням модел1 WRF (www2.mmm.ucar.edu/wrf), в якш зовшшня обчислювальна область охоплювала всю територiю Украши iз просторовим дозволом 0,15 град., а вкладе-на область охоплювала м. Кшв та прилеглi територп iз просторовим дозволом 0,025 град. У табл. 3 приведет статистичш характеристики (середне вiдхилення ME, середне абсолю-тне вiдхилення MAE та коефщент кореляцп ) порiвняння швидкостi, напрямку в^ру i при-земно'1' температури, розрахованих WRF, та вщповщних вимiрiв на метеостанцп «Жуляни», яке свщчить про високу якiсть розрахункiв моделi у порiвняннi з даними вимiрiв трьох метеостанцiй навколо м. Кшв.
Таблиця 3 - Статистичш характеристики порiвняння розрахованих метеопараметрiв (шви-дюсть та напрямок приземного вiтру, температура) та вимiрiв на метеостанцiях Жуляни, Бориспшь, Гостомель. Порiвняння надане для результапв розрахункiв у зовнiшнiй (D01) та внутрiшнiй (D02) розрахункових областях_
Параметр ME MAE Кор. коеф. ME MAE Кор. коеф.
D01 D02
WS, м/с 1,055 1,330 0,831 0,855 1,145 0,853
WD, град. 3,587 17,631 0,698 2,439 19,279 0,705
T2, град. С -0,113 1,399 0,957 0,044 1,356 0,959
3.2. Результати моделювання атмосферного забруднення
У розрахунках було використано модель САЬРЦГ, рекомендовану Агентством охорони навколишнього середовища США [18]. Модель CALPUFF широко застосовусться у свт, а також неодноразово була верифшована авторами роботи на пiдставi порiвняння з даними натурних вимiрiв i успiшно застосована для розв'язання багатьох практичних задач iз моделювання атмосферного забруднення в Укршш [19, 20, 21]. Для моделювання фотохiмiч-них трансформацш речовин у моделi наявна схема RIVAD/ARM3 [18], яка була викорис-тана у данш роботi. Iнтенсивностi викидiв задавались тшьки для SO2 та NO2, тодi як у ре-зультатi розрахунку формувались даш для 6 речовин: SO2, SO4, NO, NO2, HNO3, NO3. Фонова концентрацiя озону у данш робот задавалась значенням, яке використовуеться у моделi CALPUFF за замовчуванням: 40 ррЬ. Розрахунок концентраци амiаку проводився
окремо. У данш робот було проведено два сценарп розрахунку для умов вимiрiв у жовтнь листопадi 2013 р. [4].
• «Базовий сценарш» розрахункiв SO2 та N02: викиди у межах м. Кшв для стащо-нарних джерел були взят зi звтв «2-ТП-Повiтря» (п. 2.1), викиди вщ автотранспорту у межах м. Кшв взят згщно з оцшками 1ПММС (п. 2.3), а ус iншi викиди, включаючи викиди за межами м. Кшв, зпдно з оцшками EMEP (п. 2.2). У межах м. Кшв iз загального шве-нтора ЕМЕР були вщнят викиди, оцiненi ЕМЕР для стацiонарних джерел та енергетичних установок, а також викиди, оцшеш ЕМЕР вщ автотранспорту.
• «Сценарш ЕМЕР»: розрахунок концентрацш S02, N02 та КЫН3 здiйснювався на пiдставi викидiв ЕМЕР. Для моделювання процеав осiдання необхiдно додатково вказати ряд характеристик, яю у загальному випадку залежать вщ речовини забруднювача.
У розрахунках була використана атка з просторовим дозволом 800 м, яка покрива-ла м. Кшв i у вузлах яко! були задаш елементарнi площиннi джерела забруднень вщ автотранспорту та викиди з бази даних ЕМЕР. Викиди зi стащонарних джерел моделювались як точковi джерела. Висота труб та температури викидiв для найпотужнiших стацiонарних пщприемств (ТЕЦ, завод «Енергiя» тощо) були взят з л^ературних джерел, зокрема, з таблиц у роботi [22]. Висота викидiв дрiбних стацiонарних джерел покладалась рiвною 20 м.
На рис. 4 представлен розрахованi парцiальнi внески у середне забруднення S02 за жовтень-листопад 2013 р. у базовому сценарп розрахунюв вщ таких джерел забруднень: 1) викидiв ЕМЕР за винятком стащонарних джерел та автотранспорту у межах м. Кшв; 2) ви-кидiв точкових джерел у межах м. Кшв; 3) викидiв Трипшьсько! ТЕЦ; 4) викидiв автотранспорту у межах м. Кшв зпдно з оцшками 1ПММС.
З порiвняння результатв на рис. 4 Ь та 4 d видно, що, згiдно з розрахунками, при-наймш у лiвобережнiй частинi мiста, ТЕЦ-4, а не автотранспорт е основним джерелом забруднення пов^ря SO2. На рис. 4 а викиди EMEP створюють не дуже реалютичний максимум концентрацiй SO2 у швденнш частинi Киева, оскiльки частина комiрки EMEP з великими значеннями викидiв SO2 (див. обговорення до рис. 2 а) знаходиться частково за межами м. Кшв, тодi як викиди стащонарних джерел i автотранспорту бралися у базовому сценарп лише з те! частини комiрки, яка знаходилась у межах м. Кшв. Сумарна концент-ращя вщ рiзних джерел дiоксидiв азоту та арки, розрахована у базовому сценарп та осере-днена за жовтень-листопад 2013 р., показана на рис. 5.
Порiвняння даних вимiрiв i розрахункiв, проведених у базовому сценарп, показане у табл. 4. Як видно з дано! таблищ, розрахована концентращя уах речовин набагато менше за даш вимiрiв: за рiвнями концентрацiй NO2 заниження у 2,5-3,5 рази, за рiвнями концентрацш SO2 заниження у 3-9 разiв. Такi сильнi заниження не можуть бути пов'язаш з похибкою моделi i е наслiдком, у першу чергу, заниження обсяпв викидiв у статистичнш звiтностi [4]. Вони свщчать про велику кiлькiсть неiнвентаризованих джерел викидiв. З аналогiчною ситуацiею, коли заниження результатв моделi у порiвняннi з даними вимiрiв свiдчило про наявшсть неiнвентаризованих джерел забруднень, автори роботи вже стикались на практищ [19].
Результати розрахунюв концентрацiй NO2 та SO2, отриманi з використанням штенсивност емiсiй, згiдно з даними EMEP, набагато краще узгоджуються з даними вимiрiв, нiж результати базового сценарш. Концентрацп NO2 у сценарп EMEP заниженi у 2-3 рази в середньому по м. Ки!в, але практично сшвпадають iз вимiрами на Харкiвському масивi (табл. 4). Концентрацп SO2 у сценарп EMEP заниженi у 1,5-2,5 рази у порiвняннi з вимiрами, що набагато краще результатв базового сценарш.
На рис. 6 приведет результати моделювання концентрацш у випадку використання виключно викидiв ЕМЕР. Як видно з рисунку, просторовий розподш забруднення виглядае не дуже реалютичним, оскшьки за причин, указаних у роздш 2, максимум розподшу
концентрацш змщений у 6ïk твденно'1' границ м. Кшв. Проте, згiдно з табл. 4, результати розрахунюв за даним сценарieм набагато краще узгоджуються з даними вимiрiв, нiж результати у базовому сценарп. Цей результат пщтверджуе бшьшу реалiстичнiсть сумарного обсягу викидiв EMEP у м. Кшв у порiвняннi iз статистичною зв^шстю «2-ТП Пов^ря».
50.55 50.5 50.45 50.4 50.35 50.3 50.25
50.55 50.5 50.45 50.4 50.35 50.3 50.25
30.3 30.4 30.5 30.6
30.3 30.4 30.5 30.6 30.7 30.8
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0.009
0.008
0.007
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0.0009
0.0008
0.0007
0.0006
0.0005
0.0004
0.0003
0.0002
0.0001
Рисунок 4 - Парщальш внески у концентращю SO2 у пов1тр1 за жовтень-листопад 2013 р. у базовому сценарп розрахунюв вщ таких джерел забруднень: a) викид1в EMEP за винятком стащонарних джерел та автотранспорту у межах м. Кшв; b) викид1в точкових джерел у межах м. Кшв; с) викид1в Трипшьсь^' ТЕЦ; d) викцщв автотранспорту у межах м. Кшв
зпдно з оцшками 1ПММС
0.08
0.075
0.07
0.065
0.06
0.055
0.05
0.045
0.04
0.035
0.03
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0
Рисунок 5 - Просторовий розподш розрахованоï середньоï концентрацп за жовтень-листопад
2013 р. у базовому сценарп розрахунюв; SO2 (зл1ва), NO2 (справа). Маркерами показано розташування регулярних поспв вим1р1в ЦГО, за якими здшснювалось осереднення вишр1в
Рисунок 6 - Просторовий розподш розраховано! середньо! концентрацп за жовтень-листопад
2013 р. у сценари розрахункiв на mдставi даних ЕМЕР; SO2 (злiва), N02 (справа). Маркерами показано розташування регулярних постiв вимiрiв ЦГО, за якими здшснювалось
осереднення вимiрiв
Таблиця 4 - Пор1вняння вим1ряних та розрахованих для р1зних сценарпв середшх концен-трацш у м. Киев1 за жовтень-листопад 2013 р._
ЗР Вим1ри Базовий, мг/м3 ЕМЕР, мг/м3
Кшв
N02 0,095 0,028 0,031
802 0,024 0,005 0,015
NH3 0,01 - 0,0013
Л1вий берег
N02 0,083 0,032 0,045
802 0,023 0,007 0,013
NH3 0,01 - 0,0015
Харювський масив
N02 0,065 0,02 0,059
802 0,055 0,006 0,02
NH3 0,043 - 0,0017
Розраховаш концентрацп ам1аку за сценар1ем викид1в ЕМЕР у 7-25 раз1в занижен в пор1внянш з даними вим1р1в. При цьому, зпдно з табл. 2, загальний обсяг викид1в КН3, за даними ЕМЕР, у 7 раз1в перевищуе оцшки викид1в з1 звтв Держстатистики [4]. Саме тому на основ1 даних Держстатистики не було сенсу проводити моделювання ам1аку. Наведен результати свщчать про те, що наявна на державному р1вш шформащя про викиди ам1аку у м. Кшв охоплюе не бшьше, шж усього декшька вщсотюв фактичних викид1в.
4. Висновки
У робот вперше проведене пшотне моделювання атмосферного забруднення у м. Кшв вщ ус1х вщомих джерел дюксиду азоту (N02), дюксиду арки (802) та ам1аку (ЫН3). Для моделювання використано як даш зв1тносп Держстатистики «2-ТП Пов1тря» щодо р1чних обсяпв викид1в вщ стацюнарних джерел у м. Кшв, так 1 даш м1жнародно! георозподшено! бази даних викид1в ЕМЕР, яка складаеться на тдстав1 звтв вщ окремих кра!н. Також у данш робот було проведено оцшку обсягу та просторового розподшу обсяпв викид1в 802
та NO2 вщ автотранспорту. Моделювання проведене для умов жовтня-листопада 2013 р., коли Центральною геофiзичною обсерваторieю, додатково до регулярних вимiрiв у м. Ки-1'в, було проведене експедицшне дослiдження атмосферного забруднення на Харювському масивi, де регулярнi вимiри не проводяться. Результати аналiзу наявно'1 шформацп стосов-но викидiв вiд рiзних стацiонарних джерел та енергетичних установок показали, що оцшки викидiв EMEP для уах розглянутих речовин завжди перевищують вiдповiднi значення зi звтв Держстатистики. При цьому, якщо для SO2 заниження даних викидiв зi звiтiв Держ-статистики у порiвняннi з даними EMEP порiвняно невелике, близько 30%, то для NO2 це заниження вже у 3-5 разiв, а для NH3 - у 7 разiв. Всупереч загально поширеним уявлен-ням, автотранспорт, згщно з оцшками EMEP, не е домшуючим джерелом дiоксидiв азоту та арки в м. Кшв. Оцшки викидiв вщ автотранспорту, зро6ленi у данш робот, значно перевищують оцшки викидiв вщ автотранспорту EMEP, але також не перевищують вплив шших джерел SO2 та NO2.
Моделювання атмосферного забруднення було проведене для двох сценарпв вики-дiв: у базовому сценарп викиди вщ стащонарних джерел та енергетичних установок у м. Кшв задавались на пiдставi шформацп зi звтв Держстатистики, даш викидiв вiд автотранспорту задавались на пiдставi оцiнок, зроблених у данш робот, а iншi викиди, у тому чис-лi за межами м. Кшв, задавались на пiдставi даних EMEP. У другому сценарп ус викиди задавались на пiдставi EMEP. Попри не дуже реалютичний просторовий розподiл викидiв EMEP, моделювання на основi сценарш EMEP дозволяе отримати краще ствпадшня результатв розрахунюв iз даними вимiрiв, нiж моделювання на основi викидiв зi звiтiв Держстатистики. Але навт у сценарп EMEP результати розрахунюв SO2 та NO2 занижен у порiвняннi з даними вимiрiв приблизно у 2 рази, що свщчить про вiдповiдне заниження обсяпв викидiв у даних EMEP, та набагато бшьше заниження обсяпв викидiв у звiтах Держстатистики. Щодо результатiв моделювання амiаку, то навт у сценарп EMEP розраховаш концентрацп амiаку у 7-25 разiв заниженi у порiвняннi з даними вимiрiв. З отриманих результатiв можна зробити висновок, що на державному рiвнi у зв^ах Держстатистики «2-ТП Пов^ря» наявна iнформацiя тiльки про декшька вiдсоткiв вiд загального обсягу викидiв амiаку. Результати роботи свщчать про нео6хiднiсть невiдкладного виконання рекомендацш експертiв EMEP, наявних в опублшованш рецензп на Нацiональний звiт Украши за даним протоколом, та, в першу чергу, складання i верифшащю георозподшено!' швентаризацп викидiв згiдно з методиками EMEP.
ПОДЯКИ
Робота була пщтримана грантом Президента Украши для докторiв наук за 2019 р. Ф84/56099.
СПИСОК ДЖЕРЕЛ
1. Мшеколопя. Еколопчний паспорт. Кшв, 2018. URL: https://ecodep.kyivcity.gov.ua/ files/2019/1/22/eco pasport 2017.pdf
2. Безрук З.Д., Порев В.А. Дослщження приземних концентрацiй викидiв смiттеспалювального заводу «Енерпя». Проблемы машиностроения. 2013. Т. 16, № 6. С. 37-42.
3. Shavrina A.V., Sosonkin M.G., Veles A.A., Nochvay V.I., Blum O.B. Integrated Modeling оf Surface And Tropospheric Ozone For Kiev City. Simulation and Assessment of Chemical Processes in a Multiphase Environment. NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security / eds. I. Barnes, M.M. Kharytonov. Springer, Dordrecht, 2008. doi: 10.1007/978-1-4020-8846-9_26.
4. Табачний Л.Я. та in. Звн про виконання науково-дослщно1' роботи «Визначення негативного еколопчного впливу смотеспалювального заводу «Енерпя» ПАТ Кшвенерго» на рiвень забруднення атмосферного повпря на територи Дарницького району м. Киева» за договором № 01/0913/32-13 вщ 10.09.2013 р. Кшв: Центральна геофiзична обсерваторiя, 2013. 20 с.
5. Держстатистики. ЗвГт про викиди забруднюючих речовин i парникових ra3iB у атмосферне пов> тря вiд стащонарних джерел викидiв, форма № 2-ТП (пoвiтря) (2014 рiк). Кшв: Державна служба статистики Украши, 2015.
6. Wankmueller R. Documentation of the new EMEP gridding system. Technical report CEIP. 2017. N 5. URL: https://webdab01.umweltbundesamt.at/download/EMEP_gridding_system_documentation.pdf.
7. Crippa M., Guizzardi D., Muntean M., Schaaf E., Dentener F., van Aardenne J.A., Monni S., Doering U., Olivier J.G.J., Pagliari V., Janssens-Maenhout G. Gridded emissions of air pollutants for the period 1970-2012 within EDGAR v4.3.2, Earth Syst. Sci. Data, 10, 1987-2013. 2018. URL: https://doi.org/10.5194/essd-10-1987-2018.
8. Регюнальна доповщь про стан навколишнього природного середовища у м. Киeвi у 2015 рощ. Кшв: Мiнiстерствo енергетики та захисту довкшля, 2016. URL: https://menr.gov.ua/news/31201.html.
9. Викиди забруднюючих речовин та парникових газiв у атмосферу вщ пересувних джерел: статистичний бюлетень за 2013 р. Кшв: Державна служба статистики Украши, 2014. Ч. I. С. 9. URL: http://www.ukrstat.gov.ua/druk/publicat/Arhiv u/07/Arch vikid bl.htm.
10. Викиди забруднюючих речовин та дюксиду вуглецю у атмосферне повггря (1990-2018рр.). Головне управлшня статистики у м. Киевь URL: http://kiev.ukrstat.gov.ua/p.php3?c=1730&lang=1.
11. Викиди окремих забруднюючих речовин та дюксиду вуглецю в атмосферне пов^ря у 2013 рощ. Головне управлшня статистики у м. Киевь URL: http://kiev.ukrstat.gov.ua/p.php3?c=3016&lang=1.
12. Методика розрахунку викидiв забруднюючих речовин та парникових газiв у пов^ря вiд транспортних засoбiв. Державний комггет статистики Украши, наказ № 452 вщ 13.11.2008. URL: http: //www .ukrstat.gov .ua/metod polog/metod doc/2008/452/metod.htm.
13. Степанчук О.В. Методолопя пiдвищення ефективнoстi функцioнування вулично-дорожньо! мережi мiст: дис. ... д-ра техн. наук: 05.23.20. К.: Кшвський нащональний унiверситет будiвництва та архггектури, 2018. 302 с.
14. Арканова А.А. Урегулювання проблеми забруднення атмосферного пов^ря мiста викидами автотранспорту» (на oснoвi дoсвiду iнoземних краш). Полтава: Полтавський нацioнальний педагопч-ний ушверситет iм. Короленка, 2016. URL: http://oblrada.pl.ua/uploads/lstud/2016/01.pdf.
15. Викиди дioксиду шрки та дioксиду азоту в атмосферне повггря (1990-2018 роки). Головне управлшня статистики у м. Киевь URL: http://www.kiev.ukrstat.gov.ua/p.php3?c=2946&lang=1.
16. Петров В.Ю., Петухов М.Ю., Якимов М.Р. Анализ режимов работы улично-дорожной сети крупных городов на примере города Перми. Пермь: ПГТУ, 2004. 150 с.
17. Гук В.1., Шкодовський Ю.М. Транспорты пoтoки:теoрiя !х застосування в урбашстищ Х.: Зо-лот сторшки, 2009. 27 с.
18. Scire J.S., Strimaitis, D.G., Yamartino, R.J. A user's guide for the CALPUFF dispersion model (Version 5). USA, Concord: Earth Tech, Inc., 2000. 521 p.
19. Kovalets I.V., Asker C., Khalchenkov A.V., Persson C., Lavrova T.V. Atmospheric dispersion of radon around uranium mill tailings of the former Pridneprovsky Chemical Plant in Ukraine. J. of
Environmental Radioactivity. 2017. N 172. Р. 173-190.
20. Халченков О.В., Ковалець 1.В. Використання мoделi CALPUFF для моделювання радюактивно-го забруднення внаслщок аварп на Чорнобильськш АЕС. Математичне та ¡мтацтне моделювання систем МОДС 2019: Чотирнадцята мГжшр. наук.-практ. конф. (Чершпв, 24-26 червня 2019 р.). Черншв: ЧНТУ, 2019. С. 55-58.
21. Kovalets I.V., Maistrenko S.Y., Khalchenkov A.V., Zagreba T.A., Khurtsilava K.V., Anulich S.N., Bespalov V.P., Udovenko O.I. Povitrya web-based software system for operational forecasting of atmospheric pollution after manmade accidents in Ukraine. Наука та товацИ 2017. № 13 (6). Р. 11-22.
22. Криваковская Р.В., Ночвай В.И. Оценка влияния погрешности данных мониторинга на точность идентификации мощностей выбросов точечных источников загрязнения воздуха. Электронное моделирование. 2013. Т. 35, № 6. С. 87-97.
Cтаття над1йшла до редакцп 13.01.2020
