Расчетно-аналитическии метод определения загрязнения приземного слоя атмосферы выбросами промышленных предприятий Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

О. О. Синицыной // РАМН, Науч.-исслед. ин-т человека и гигиены окруж. среды им. А. Н. Сысина. — М., 2007. — С. 35.

БОБРЕНКО Игорь Александрович, доктор сельскохозяйственных наук, доцент (Россия), профессор кафедры агрохимии и почвоведения, декан факультета агрохимии, почвоведения, экологии, природо-обустройства и водопользования.

ПАВЛОВА Елена Юрьевна, магистрант гр. 101 факультета агрохимии, почвоведения, экологии, при-родообустройства и водопользования. Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 02.04.2015 г. © И. А. Бобренко, Е. Ю. Павлова

УДК 502.3

Л. О. ШТРИПЛИНГ В. В. БАЖЕНОВ Ю. В. КАЛИНИН Е. А. МАЛЬЦЕВА

Омский государственный технический университет

РАСЧЕТНО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ ВЫБРОСАМИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Работа посвящена анализу существующей системы контроля за состоянием атмосферного воздуха крупных населенных пунктов. Показано, что система мониторинга, основанная на инструментальных методах контроля на стационарных постах, не показывает реальную текущую картину загрязнения и не позволяет сформировать достоверную картину определения фоновых концентраций по всей территории населенного пункта.

Предлагается комбинирование расчетного метода контроля на основе гауссовой дисперсионной модели и существующего метода инструментального контроля, который будет применяться для оценки достоверности расчетов по фактическим данным, зафиксированным на стационарных постах.

Ключевые слова: загрязнение атмосферы, мониторинг, фоновая концентрация.

Контроль качества атмосферного воздуха в населенных пунктах является одной из важнейших задач обеспечения надлежащих условий жизни. Выбрасываемые промышленными предприятиями загрязняющие вещества негативно сказываются на здоровье населения, живущего в районе расположения этих предприятий.

Для контроля за соблюдением нормативов негативного воздействия на атмосферный воздух городов используют инструментальные средства контроля, реализованные в виде стационарных постов наблюдений, которые позволяют с высокой точностью определять концентрации загрязняющих веществ в месте размещения поста.

Результаты замеров, полученных на посту, распространяют на прилегающую территорию радиусом в 5 км [1].

В г. Омске мониторинг загрязнения атмосферного воздуха осуществляется федеральным государственным бюджетным учреждением «Обь-Иртышское управление Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей

среды». Наблюдения проводятся на восьми стационарных постах [2], пробы атмосферного воздуха отбираются 3 раза в сутки, за исключением выходных дней.

На рис. 1 приведена карта-схема расположения десяти (с учетом двух новых постов Министерства природных ресурсов и экологии Омской области [3]) стационарных постов и их зон обслуживания на территории города Омска.

Из рисунка видно, что часть города не охвачена системой контроля состояния окружающей среды. Необходимо как минимум 5 — 6 дополнительных постов. Этот вопрос можно решить, и он будет решен при наличии необходимого финансирования.

Такой подход дает возможность получать достоверную информацию о загрязнении атмосферы в контрольной точке в момент измерения.

Что происходит в интервале времени между замерами, например, при изменении в этот период погодных условий, и пр. не учитывается.

При этом не выдерживает критики допущение того, что загрязнение внутри десятикилометровой

№

Рис. 1. Зона охвата города Омска системой мониторинга атмосферного воздуха

Рис. 2. Изменение концентрации загрязнения от одиночного источника в зоне действия поста

зоны, аналогично загрязнению, зафиксированному постом наблюдения.

В качестве иллюстрации на рис. 2 приведена принципиальная схема загрязнения территории от одиночного источника, для большей наглядности ветер от источника направлен на пост. Видно, что в момент замера концентрация вещества на территории поста отличается от загрязнения по всей территории внутри зоны.

По данным текущих замеров формируются данные о фоновых концентрациях, которые выдаются

предприятиям по месту их нахождения для расчетов предельно допустимых выбросов. С учетом выше сказанного выдаваемая информация не является достоверной.

И наконец, стационарные посты контролируют несколько десятков веществ, выбрасываемых в атмосферу (для г. Омска порядка 50 наименований), в то время как реальное количество веществ составляет сотни (для г. Омска более 200) наименований.

Вопрос может быть решен за счет комбинирования расчетно-аналитического метода и существую-

Рис. 3. Иллюстрация к модели рассеивания загрязнителей в атмосфере

щего метода инструментального контроля, который будет применяться для оценки достоверности расчетов по фактическим данным зафиксированным на стационарных постах.

Нами разработан метод расчета приземных концентраций загрязняющих веществ на территории населенных пунктов от стационарных источников выбросов.

В качестве базовой математической модели расчета концентрации загрязняющих веществ используется гауссова дисперсионная модель, позволяющая проводить расчеты для различных метеорологических и атмосферных условий [4].

Концентрации загрязняющего вещества в расчетной точке определяется, согласно обобщенной модели Гаусса (рис. 3), по формуле 1:

С(х, у, г) =

ехр| - 0,5

О х К

(

■ х ехр

(г - Н)2

+ ехр| - 0,5

У

0,5 у-

аУ

- (г + Н)2

, (1)

где С(х,у,х) — концентрация выбрасываемого вещества в точке с координатами х, у, х, мкг/м3; О — выброс вещества, г/с; К — коэффициент пересчета в микрограммы, равен 1х106; V — вертикальные условия рассеивания; Н — эффективная высота источника; ау, <5г — стандартные отклонения рассеивания по горизонтали и вертикали, м; и1 — скорость ветра на эффективной стороне источника, м/с.

При моделировании загрязнения воздушного бассейна населенного пункта учитывается вся совокупность расположенных на территории населенного пункта промышленных предприятий с имеющимися источниками загрязнения, осуществляющих выброс загрязняющих веществ в атмосферу.

В этом случае формула расчета концентрации загрязняющего вещества в любой расчетной точке имеет вид:

С(х, у, г) = £ X С,(х, у, г)

>1 ■=1

ного загрязняющего вещества; ] — промышленное предприятие населенного пункта; т — суммарное количество предприятий, источники загрязнения которых осуществляют выброс в атмосферу населенного пункта данного загрязняющего вещества.

Расчеты проводятся с любым заданным шагом для заданного интервала времени с учетом текущих погодных условий, направления и силы ветра.

Значения, полученные в ходе расчетов по формуле 2, будут являться ситуационными значениями концентрации загрязнения для конкретного места, момента времени, сочетания погодных условий.

Сохранение ситуационных значений за длительный период времени в банке данных и дальнейшая их обработка позволяет формировать значения фоновой концентрации. Данный процесс можно представить в виде матрицы размерностью т на п, где в качестве элементов содержатся матрицы размерностью Ь на V, имеющие в качестве элементов матрицу-строку, содержащую набор значений концентрации загрязняющего вещества, скорости ветра, при которой данная концентрация в указанной точке имеет место, а также соответствующее им направление ветра, выраженное в градусах:

(

А =

тхп

л

Н

(Н Ьху )11 ... (Н Ьху),

(Н

Ьху /1п

(Н

Ьху >п.

[С, V,, а,] ... [С, V,, а,]

[С, V,, аг ] ... [С, V,, аг ]

(3)

(4)

(2)

где I — источник загрязнения в пределах одного предприятия; п — количество источников загрязнения предприятия, осуществляющих выброс дан-

здесь С — расчетное значение концентрации загрязняющего вещества в точке с координатами [x = m,y = n,z = 2], мкг/м3; V — значение скорости ветра в точке с координатами ^,у^ = 2], м/с; а — значение направления ветра, выраженное в градусах; т и п — счетчики, определяющие координаты узла в расчетной сетке; Ь и V — счетчики диапазона скорости ветра и его направления, выраженного в градусах.

Общий порядок действий описывается схемой, приведенной на рис. 4.

х

жх ау х х и!

х

2

2

а

а

Методика определения значения приземной концентрации загрязняющего вещества в лю&ой точке (х:у) населенного пункта для различных метеорологических и атмосферных условий

Значение фоновой концентрации для заданной точки населенного пункта

Расчет по наоору метеорологических и атмосферных параметров для каждого дня по сокращенной программе (для дня и ночи) за срок 5 лет

Выделение нз значений того, превышается в 5 полученных чья величина "Л случаев

№

Рис. 4. Схема работы методики определения фоновых концентраций

В качестве примера, был проведен расчет фоновой концентрации фенола для стационарного поста № 5 «Обь-Иртышское УГМС». Фенол был выбран в связи с тем, что источником выброса монопольно являлась промплощадка, валовый выброс которой нам был известен. Фоновая концентрация фенола на посту, который находится в 3 км от промплощад-ки, составляет, для скоростей 3 — 7 м/с — 4 мкг/м3.

Согласно полученных нами при расчете концентрации фенола в точке стационарного поста № 5, для температуры окружающей среды +20 оС, максимальная концентрация на посту достигает С =4,8 мкг/м3 при направлении ветра 314 градусов и скорости 10 м/с, класс стабильности атмосферы — Б (стабильный, ночь). Значение фоновой концентрации, превышаемое не более чем в 5 % случаев, — 4,2 мкг/м3.

Расчет показал хорошее совпадение с экспериментальными данными.

Также нами был проведен расчет для точки на территории ОмГТУ с координатами Х = 9232 и У = 23141 (главный корпус). Расстояние от поста — 2,5 км. Фоновая концентрация по расчету С =1,8 мкг/м3. На запрос о значении фоновой концентрации фенола на территории ОмГТУ «Обь-Иртышское УГМС» предоставило значение, полученное в результате наблюдений на стационарном посту — 4 мкг/м3.

Здесь наблюдается уже серьезное расхождение, что подтверждает наше предположение о несоответствии официальных данных о фоновых концентрациях для конкретной точки, находящейся на расстоянии от поста.

Таким образом, предлагаемый расчетно-ана-литический метод позволяет определять текущее загрязнение атмосферного воздуха при конкретных погодных условиях, оценивать его состояние на основе прогноза погоды, при наличии соответствующей базы данных о загрязнении за длительный период времени рассчитать фоновые концентрации загрязнения в любой точке населенного пункта.

Описанный метод в совокупности с информацией, получаемой со стационарных постов, также может быть применен для определения виновника сверхнормативного выброса [5], что в последнее время становится весьма актуальной темой.

Библиографический список

1. ГОСТ 17.2.3.01-86. Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населённых пунктов. — Взамен ГОСТ 17.2.3.01-77 ; введ. 1987-01-01 // Государственный комитет СССР по стандартам. — М. : Изд-во стандартов, 1987. —

5 с.

2. Загрязнение атмосферного воздуха в административных округах г. Омска в январе 2015 года [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://omsk-meteo.ru/ index. php?section = pollution&page = map. (дата обращения: 16.02.2015).

3. Качество атмосферного воздуха [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://mpr.omskportal.ru/ru/ RegionalPublicAuthorities/executivelist/MPR/otraslevaya-informaciya/Ypravleniya/Ecobezopasnost/oxrana-atmosfernogo-vozdyxa/kachestvo-atmosfernogo-vozduha/2015.html (дата обращения: 16.02.2015).

4. Модели оценки и прогноза загрязнения атмосферы промышленными выбросами / Э. М. Соколов [и др.]. — Тула : ТулГУ, 2007. — 155 с.

5. Штриплинг, Л. О. Определение источника сверхнормативного загрязнения атмосферы населенного пункта / Л. О. Штриплинг, В. В. Баженов, Ю. В. Калинин // Омский научный вестник. Сер. Ресурсы Земли. Человек. — 2012. — № 2 (114). — С. 203 — 209.

ШТРИПЛИНГ Лев Оттович, доктор технических наук, профессор (Россия), проректор по учебно-методической работе, заведующий кафедрой промышленной экологии и безопасности. БАЖЕНОВ Владислав Викторович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры промышленной экологии и безопасности. КАЛИНИН Юрий Владимирович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры промышленной экологии и безопасности. МАЛЬЦЕВА Екатерина Алексеевна, аспирантка кафедры промышленной экологии и безопасности. Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 17.04.2014 г. © Л. О. Штриплинг, В. В. Баженов, Ю. В. Калинин, Е. А. Мальцева