2.2. Основные источники загрязнения атмосферного воздуха города
Основными источниками химического загрязнения атмосферы на региональном уровне являются промышленные предприятия. На уровне городов к ним добавляются автомобильный транспорт и многочисленные источники неорганизованных выбросов, таких как частный сектор (рис. 2.2).
Каждый из них имеет свои специфические особенности, что приводит к необходимости использования для их учета разных математических моделей и баз данных. Использование «подробных» моделей, позволяющих выполнять совместный расчет трехмерных зависимостей метеорологических параметров и полей загрязнения в сложных метеоусловиях, предполагает знание значительного объема качественных исходных данных, которые не всегда бывают в наличии. С другой стороны, для грубой экспресс-оценки экологической ситуации в городе можно на начальном этапе ограничиться грубыми инженерными моделями, оперирующими усредненными в некотором смысле параметрами, а для обработки, анализа и представления данных использовать программные средства современных ГИС.
В
работе С.В. Бажина была предложена
простая методика оценки среднегодовой
концентрации загрязняющих примесей в
атмосфере для случая группы источников
выбросов, расположенных в точках с
координатами
:
,
(2.1)
где
Qi
– мощность источника;
,
–
радиус вектор и угол, характеризующие
относительное местоположение i-го
источника и точки измерения концентрации:
, 
,
–
вероятность
наличия ветра с направлением ;
–
среднее значение модуля скорости ветра
в направлении ; H
– высота слоя перемешивания.
Аналогичные по смыслу методики предложены в работах многих авторов. Общими чертами этих методик являются: использование информации о среднегодовых выбросах промышленных предприятий, их пространственном расположении на исследуемой территории и учет метеорологических факторов в виде розы ветров. Такие модели могут быть использованы на разных территориальных уровнях деления, таких как регион, район и населенный пункт.
Значительные упрощения и приближения, включенные в предлагаемую нами модель, позволяют использовать ее только для грубого анализа загрязненности территории и определения относительных вкладов в общее загрязнение различных загрязняющих веществ и источников выбросов.
Рис. 2.2. Типы полей загрязнения
Расчет среднегодовых концентраций может быть также произведен с использованием методики совместных частотных функций.
Для определения загрязненности при наличии подробных данных по источникам загрязнения нужно использовать более совершенные методики точного расчета загрязненности: ОНД–86, Гауссову и др.
Автотранспорт – весьма специфичный источник загрязнения. Зона загрязнения от автотранспорта обычно сосредоточена в узкой полосе – «ленте» (рис.2.2) порядка нескольких десятков – сотен метров от автотрассы, которая часто не может быть проанализирована на мелком масштабе карты. Вместе с тем при низкой скорости ветра и наличии инверсии температуры (смог) именно автотранспорт может давать основной вклад в загрязнение, инициируя смог. Расчет загрязнения от автотранспорта осложняется сильной неконсервативностью составляющих его выбросов в смоговых условиях, в частности, оксида азота и углеводородов, участвующих в смоговом фотохимическом цикле. Общий вклад автомобильного транспорта в загрязненность атмосферы городов оценивается в пределах 40–60%. Помимо этого, автотранспорт вносит основной вклад в шумовую обстановку города и в загрязнение почвы такими опасными веществами как свинец. Оценка влияния автотранспорта на экологическую обстановку конкретного города представляет значительный интерес. В такой оценке могут быть эффективно использованы ГИС-технологии как для расчета самого загрязнения, так и для проведения анализа влияния этого загрязнения на окружающую среду.
Отмеченная выше «ленточность» поля загрязнения от автотранспорта позволяет определять загрязнение различных областей города относительно независимо друг от друга. Условие «ленточности» может нарушаться при безветренных метеорологических условиях, приводящих к возникновению пространственно однородного смога над городом. Для смоговых условий описываемый в работе комплекс неприменим.
Структура разработанного комплекса для оценки загрязненности атмосферы, инициируемой автотранспортом, представлена на рис. 2.3. Она включает два блока. Первый блок – проект ГИС ArcView, осуществляющий функции подготовки пространственных данных для вычислений и их последующего ГИС-анализа. Второй блок – внешняя программа CALINE 3 (осуществляющая расчет поля загрязнения по выбранным исходным данным. Эта программа является консольным приложением, вызываемым непосредственно из ArcView.
Проект Arc View
Выбор территории и экспорт CALINE;
Импорт и расчет полученного поля;
Анализ, зонирование полей загрязнения
CALINE 3
Расчет загрязнения;
Экспорт загрязнения
Arc View
данные
поле
Рис. 2.3. Структура комплекса для оценки загрязненности воздуха
CALINE 3 использует для расчета загрязненности модифицированную модель Гауссова факела. Отдельные отрезки, из которых состоит дорожная сеть, разделяются программой на элементы – отрезки неравного размера, длина которых возрастает степенным образом при удалении от точки, где рассчитывается концентрация загрязнения (это сделано для уменьшения объема вычислений). Каждый элемент смоделирован как конечный линейный источник, расположенный перпендикулярно направлению ветра и проходящий через центр средней линии элемента. Вклады от всех элементов складываются для расчета суммарного загрязнения.
Вклад частного сектора. Ареальное загрязнение атмосферы, производимое частным сектором, требует учета площадных источников загрязнения (ИЗ). Вообще говоря, произвольный площадной ИЗ мощности Q можно представить некоторым количеством N точечных ИЗ мощности Q/N, равномерно распределенных по его площади. Погрешность расчета полей загрязнения, возникающая от такого представления, зависит от конкретной методики расчета, но в общем обратно пропорциональна N. Переход к непрерывному распределению ИЗ при N →∞ (интегрирование формулы по площади ИЗ) дает простую формулу для расчета загрязненности от площадного ИЗ. Выражение для оцениваемой среднегодовой концентрации загрязняющих примесей в атмосфере для случая группы площадных источников выбросов имеет вид:
,
(2.2)
где
-
мощность источника i,
-
его площадь;
-
представляет собой длину отрезка -
пересечения луча проведенного из точки
под
углом
,
с областью многоугольника, который
представляют границы площадного
источника загрязнения i; величины
,
,
H
- определены ранее.
Выбросы частного сектора в первую очередь обусловлены отоплением жилых домов. Их объем достаточно просто оценивается через характерный размер домовладения и средний расход топлива (каменный уголь, дрова и газ), потребляемого в секторе на одно домовладение в разные сезоны.
Как источник загрязнения частный сектор может быть представлен совокупностью площадных источников загрязнения, имеющих форму генерализованных до шага расчетной сетки жилищных кварталов (рис. 2.1).
На рис. 2.4 показан расчет загрязнения атмосферного воздуха по методике ОНД–86.
Представляет интерес ранжирование территории по уровню загрязненности, обусловленной выбросами промышленных предприятий. Его результаты приведены в табл. 2.1.
Наблюдения в подфакельной зоне. Цель подфакельных наблюдений – установление зоны воздействия конкретного источника загрязнения. Наблюдения проводятся за специфическими загрязняющими веществами, характерными для выбросов данного источника.
Таблица 2.1
Ранжирование территории по уровню загрязненности воздуха
Категория степени загрязненности |
Значение КИЗА |
Очень высокая |
КИЗА >16 |
Высокая |
4<КИЗА≤16 |
Повышенная |
1<КИЗА≤4 |
Низкая |
КИЗА≤1 |
Измерения проводят в центральных (осевых) точках, расположенных по оси факела на различных расстояниях от источника выбросов с подветренной стороны, и в точках слева и справа от линии, перпендикулярной оси факела. С целью оценки влияния других источников измерения проводят также с наветренной стороны. (ГОСТ 17.2.3.01-86 Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов). Способ проведения наблюдений (в контрольной точке или с помощью подфакельных измерений) определяется в каждом конкретном случае и зависит от расположения источников выбросов и их типа, а также состава выбрасываемых загрязняющих веществ.
Рис. 2.4. Пример расчета КИЗА по методике ОНД-86
Для каждой точки разрабатывается программа наблюдений, включающая перечень веществ, подлежащих контролю, состав средств и методов измерения или расчета, частоту и сроки.
Периодичность измерений на источнике выбросов определяется категорией источника и может корректироваться территориальными органами по охране окружающей среды в зависимости от экологической обстановки в городе, регионе (Методические рекомендации по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, Санкт-Петербург, 2005г.) Измерения (отбор проб) в контрольных точках, в том числе на границе СЗЗ, следует выполнять при тех же метеоусловиях, которым соответствует значения расчетных концентраций в контрольных точках. Одновременно с отбором проб измеряются метеорологические параметры: температура воздуха, скорость и направление ветра, состояние погоды в период отбора.