CC BY
66
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2010 БИОЛОГИЯ Вып. 2
УДК 614.71; 711.5
СОПРЯЖЕНИЕ ДАННЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ И РАСЧЕТНОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА Г. ПЕРМИ ДЛЯ ЗАДАЧ ЭКОЛОГОГИГИЕНИЧЕСКОГО ЗОНИРОВАНИЯ ТЕРРИТОРИИ
И. В. Май, С. А. Вековшинина, В. М. Чигвинцев
Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения, 614045, Пермь, ул. Орджоникидзе, 82; root@fcrisk.ru; (342)2372534
Предложен и апробирован метод верификации модельных данных о загрязнении, полученных на базе сводных расчетов рассеивания по территории, и данных натурных наблюдений с постов экологического мониторинга. Метод апробирован на примере загрязнения атмосферы г. Перми диоксидом азота. Получены поля концентраций диоксида азота, которые верифицированы данными натурных наблюдений. Проведено гигиеническое зонирование территории города.
Ключевые слова: верификация; данные натурных наблюдений; рассеивание загрязняющих веществ; коэффициент соответствия; экстраполяция; гигиеническое зонирование.
Введение
Проблема неудовлетворительного качества атмосферного воздуха, как составляющей среды обитания населения, связана с тем, что исторически сложившаяся планировка Перми характеризуется близостью промышленной и жилой застройки, отсутствием требуемых разрывов между источниками воздействия и местами постоянного проживания или рекреации населения при низком природном потенциале рассеивания примесей.
Данные мониторинга загрязнения атмосферного воздуха не дают целостного пространственного представления о загрязнении воздушной среды. При этом недостаточное число контролируемых на постах загрязнителей не всегда позволяет оценить полноту экспозиции населения всеми компонентами аэротехногенной нагрузки (Современные методы..., 2007).
В Перми в течение последних 10 лет уровень загрязнения атмосферы города по комплексному индексу характеризуется как высокий.
Такой характер загрязнения обусловлен повышенным содержанием в атмосфере целого ряда химических веществ техногенного происхождения. В 2008 г. в Перми наблюдались превышения максимальной разовой ПДК следующих веществ: этилбензол (265 случаев, до 4,5 ПДК), формальдегид (112 случаев, до 2,9 ПДК), фторид водорода (98 случаев, до 2,3 ПДК); фенол (46 случаев, до 2,5 ПДК), пыль (34 случая, до 2,4 ПДК), хлорид водорода (32 случая, до 6,5 ПДК), диоксид азота (26
случаев, до 7,7 ПДК), оксид углерода, ксилолы, сероводород, и т.п.
Отмечен только 61 день за весь 2008 г., когда не было зарегистрировано ни одного превышения ПДК определяемых веществ.
В целом по городу за 2004-2008 гг. тенденция загрязнения атмосферы характеризуется повышением средних концентраций оксида азота, взвешенных веществ (пылей), хлорида водорода, ароматических углеводородов, бенз(а)пирена.
В силу значительной площади города, различий в размещении и отраслевой специфики промышленных объектов и с учетом особенностей расположения постов наблюдения районы города отличаются по параметрам загрязнения.
Наиболее высокие индексы загрязнения регистрируются в Мотовилихинском районе, где пост № 13 характеризует качество атмосферы вблизи транспортной магистрали, в Индустриальном (пост, являясь городским фоновым, более всего характеризует качество воздуха в мкр. Нагорный) и Кировском районах.
Если принять во внимание, что зона репрезентативности поста наблюдения составляет 5 км, получается, что практически все население города проживает в условиях загрязнения атмосферы и, соответственно, в условиях ингаляционного риска для здоровья.
Г ород давно и успешно поддерживает сводную базу данных стационарных источников загрязнения атмосферы. В настоящее время в базе данных содержится актуальная информация об 11 тыс. источников выбросов.
© Май И. В., Вековшинина С. А., Чигвинцев В. М., 2010
60
ФГУН «ФНЦ МПТ УРЗН» совместно с кафедрой «Автомобили и автомобильное хозяйство» отработал приемы расчетов рассеивания и картографирования загрязнения атмосферного воздуха вокруг автомагистралей.
Однако сравнительный анализ данных инструментальных замеров и результатов расчетов рассеивания показал низкую сходимость уровней загрязнения. Это обусловило актуальность разработки походов по сопряжению двух видов изучения загрязнения воздуха и цели исследования.
Материалы и методы
Для зонирования территории по качеству атмосферного воздуха ставили задачу получения сведений о пространственном распределении концентраций загрязняющих веществ по всей исследуемой территории, а не только в точках наблюдения.
В качестве объекта исследования был выбран г. Пермь, где выполняются систематические наблюдения за качеством атмосферы на семи стационарных постах наблюдения Росгидромета и возможно выполнение расчетов рассеивания для всей территории с использованием сводной базы данных источников выбросов.
Для решения задачи использовали модель аппроксимации коэффициентов соответствия, вычисляемых по соотношению
с
к =
с
(1)
где / - номер поста;С/— расчетные концентрации загрязняющего вещества на /-м посту наблюдений; Ср — фактические концентрации загрязняющего вещества на /-м посту наблюдений.
Пользуясь данной формулой, получали значения коэффициента соответствия в точках расположения постов. Для интерполяции коэффициента на основании данных в точках постов наблюдения на первом этапе проводили процедуру триангуляции расчетных точек, равномерно распределенных по территории города.
Задача триангуляции набора точек на плоскости состояла в соединении всех точек непересе-кающимися отрезками так, чтобы новый отрезок уже нельзя было добавить без пересечения с имеющимися. В качестве метода триангуляции была выбрана триангуляция Делоне (рис. 1).
Процедура позволяет (Скворцов, 2002) разбить пространство внутри постов наблюдения на треугольники, и благодаря свойствам триангуляции Делоне расстояние между вершинами этих треугольников будет минимальным. В итоге получают один из вариантов разбиения на треугольники пространства между точками наблюдательных постов.
Для получения верифицированных данных о концентрации вредного вещества в узлах регулярной сетки, аппроксимировали значения коэффициента
соответствия. Заданную точку расчетной сетки соединяли отрезками с вершинами каждого из треугольников. Если площадь исходного треугольника равна сумме площадей образовавшихся трех треугольников (5 = + ^2 + Sз), то считали, что точка
принадлежит треугольнику. Если 5 < £1 + 52 + £3, то точку не относили к данному треугольнику.
Рис. 1. Триангуляция точек постов наблюдений
Распределение коэффициента соответствия внутри многоугольника, образуемого точками постов наблюдения, рассматривали как непрерывную функцию двух переменных, которая изменяется линейно в пределах некоторой треугольной области и может быть записана в виде
К(х,у) = #0 + а\Х + а^у, (2)
где а0, аь аг - произвольные постоянные коэффициенты.
Значения функции в вершинах треугольника (коэффициент соответствия на постах, образующих этот треугольник) обозначали как кь k2, k 3.
С помощью этих значений могут быть определены неизвестные коэффициенты в представлении (2). В итоге получали систему трех линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных коэффициентов а0, аь а2
к = Кху) = #0 + ахХ/ + ау, г = 1,3 (3)
Решив систему (3), получали однозначное выражение функции (2) через ее узловые значения. В итоге, применяя данный метод, получали значения коэффициентов во всех точках, лежащих внутри многоугольника, образуемого точками постов наблюдения.
Далее производили процедуру экстраполяция значений коэффициента соответствия для точек, лежащих вне полученного многоугольника. Для определения принадлежности точек пространству вне полученного многоугольника применяли изложенный выше метод.
В результате получали аппроксимированные значения коэффициента соответствия во всех узлах регулярной сетки.
После получения поля коэффициентов соответствия производили расчет данных о концентрации вредного вещества по соотношению
С (х,у) = К(х,у) • С (х,у) (4)
Разработанный метод верификации позволяет добиться сопряжения расчетных данных, полученных с использованием методики ОНД-86, и реальных концентраций загрязняющих веществ, полу-
ченных с постов наблюдения, что дает возможность более эффективно оценивать реальное распределение загрязнения по территории города.
Результаты и их анализ
Предложенные подходы были апробированы на примере оценки загрязнения атмосферы города диоксидом азота.
Обработали информацию, полученную с постов наблюдения за качеством атмосферного воздуха ПЦГМС, и выполнили расчеты рассеивания примесей от совокупности стационарных источников (данные были выполнены Центром лабораторных исследований и технических измерений) и улично-дорожной сети.
Получили поля концентраций загрязняющих веществ, верифицированные данными натурных наблюдений (рис. 2 и 3).
О
/\ / Улицы р.Кама Азота диоксид (301) с.с.
< 1 ПДК 1 - 5 ПДК
■ 5 - 10 ПДК
■ >10 ПДК
2000 0 2000 4000 метры
Рис. 2. Суммарные среднегодовые концентрации диоксида азота по данным расчетов рассеивания от стационарных источников выбросов и автотранспорта
Как видно из рис. 2, расчетные среднегодовые концентрации загрязняющих веществ от стационарных источников и автотранспорта практически не превышают ПДКс.с. Однако, по данным натурных исследований Роспотребнадзора, показатели загрязнения атмосферы вдоль транспортных магистралей города имеют намного более высокие уровни.
Картина существенно меняется, когда картографируются результаты сопряжения расчетных и натурных наблюдений (рис. 3). Возможно выявить зоны повышенного загрязнения в центральной части города, явно описать участки повышенного загрязнения вдоль интенсивно нагруженных магистралей. Проявляются зоны повышенных уровней загрязнения в местах расположения мощных источников выбросов диоксида азота, прежде всего ТЭЦ и крупных промышленных предприятий.
Выводы
Предложены методические подходы к пространственной аппроксимации результатов инструментальных исследований качества атмосферного воздуха для задач гигиенического зонирования территорий. Подходы основаны на сопряжении данных стационарных постов наблюдения с результатами сводных расчетов рассеивания примесей по территории.
Методика направлена на максимальный учет всех источников загрязнения атмосферного воздуха при интер- и экстраполяции данных сети постов на всю территорию поселения.
Алгоритм аппроксимации данных натурных наблюдений постов мониторинга включает этапы: - сбор и анализ данных со стационарных постов наблюдения качества атмосферного воздуха;
выполнение сводных расчетов рассеивания примесей с использованием максимально полной базы данных о стационарных и передвижных источниках загрязнения атмосферного воздуха на исследуемой территории; вычисление коэффициентов соответствия данных натурных и расчетных концентраций в точках расположения стационарных постов наблюдения;
триангуляция точек постов наблюдения методом Делоне;
соотнесение точек расчетной сетки с результатами триангуляции;
расчет коэффициентов соответствия расчетных величин и натурных данных, полученных для точки методом линейной интер- и экстраполяции через решение системы алгебраических уравнений;
расчет аппроксимированной концентрации примеси в каждой точке, отражающей интер- и экстраполированные данные, верифицированные расчетами рассеивания; построение карт загрязнения атмосферного воздуха на территории.
Условные обозначения
О Районы г.Перми /\/ Улицы р.Кама Азота диоксид (301) с.с.
< 1 ПДК
■ 1 - 5 ПДК
. 5 - 10 ПДК
■ >10 ПДК
2000 0 2000 4000 метры
Рис. 3. Среднегодовые концентрации диоксида азота по результатам сопряжения данных стационарных постов Росгидромета и расчетов рассеивания от стационарных источников
выбросов и автотранспорта
Апробация методических подходов к пространственной аппроксимации результатов инструментальных исследований качества атмосферного воздуха для задач гигиенического зонирования Перми позволила корректно решать задачи эколого-гигиенического зонирования территории, определять проблемы и приоритеты, отчасти - выявлять вероятные источники загрязнения.
Результаты исследования позволяют предложить методику сопряжения расчетных и натурных данных для использования в системе экологогигиенической оценки территорий.
Библиографический список
ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Общесоюзный нормативный документ. Л.: ГГО им. Воейкова, 1987. 64 с.
Скворцов А.В. Триангуляция Делоне и ее применение. Томск: Изд-во Томск. ун-та, 2002. 128 с.
Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф: тезисы IX Всерос. конф. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2007. 138 с.
Поступила в редакцию 04.02.2010
Aggregation of data obtained by instrumental and calculation ambient air quality assessment in Perm for environmental and hygienic zoning of the city territory
I. V. May, doctor of biology, professor, corresponding member of the Russian Academy of Natural Sciences, deputy director for science; may@fcrisk.ru
S. A. Vekovshinina, head of Laboratory of Complex Sanitary and Epidemiological Analysis Methods ; veksa@fcrisk.ru V. M. Chigvintsev, researcher
FSSI «Federal Scientific Center for Medical and Prophylactic Health Risk Management Technologies» of Federal State Service for Surveillance in the Sphere of Consumers Protection and Human Well-Being, 82, Ordzhonikidze str., Perm, Russia, 614045; (342)2372534
In this study, the authors suggested and validated a method for the verification of pollution model data obtained using aggregate calculations of dispersion over the territory and full-scale test data collected by environmental monitoring stations. The method was validated by the case study of nitrogen dioxide air pollution in Perm. The authors obtained nitrogen dioxide concentration fields verified using full-scale test data. They performed hygienic zoning of the city territory.
Key words: verification; full-scale test data; pollutant dispersion; congruence coefficient; extrapolation; hygienic zoning.
Май Ирина Владиславовна, доктор биологических наук, профессор
Вековшинина Светлана Анатольевна, зав. лабораторией методов комплексного санитарно-эпидемиологического анализа
Чигвинцев Владимир Михайлович, научный сотрудник
ФГУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека
