Моделирование загрязнения атмосферы над территорией Приволжского федерального округа

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

3

Экологические проблемы и природопользование

УДК 504.3.054.001.572

В.М. Габдуллин, А.В. Семакина

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НАД ТЕРРИТОРИЕЙ ПРИВОЛЖСКОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО ОКРУГА

Картирование уровня загрязнения атмосферы Приволжского федерального округа проводилось с учетом выбросов с территории округа и близлежащих городов соседних регионов по методике В.А. Петрухина и В. А. Вишенского, позволяющей рассчитать средние значения концентраций загрязняющих веществ по слою перемешивания. Рассмотрен вклад природных факторов в загрязнение атмосферы.

Ключевые слова: моделирование, атмосфера, выбросы, загрязняющие вещества, стационарные источники, автомагистрали, потенциал загрязнения атмосферы.

Наиболее эффективным способом картографического представления данных о состоянии атмосферного воздуха является изолинейная модель. При ограниченности данных мониторинга они используются преимущественно для верификации, тогда как основным методом картографирования является моделирование процессов рассеивания выбросов от источников с учетом статистических данных и климатических характеристик. Современные методы математического моделирования атмосферных процессов позволяют рассчитать на основе статистических данных об объемах выбросов загрязняющих веществ в отдельных (контрольных) точках и строить изолинейные карты распределения концентраций загрязняющих веществ. Основной областью применения расчетных методов является нормирование выбросов на уровне предприятий, но это не исключает их применения и при решении научных задач, связанных с оценкой экологической обстановки в пределах больших территорий. При расчете предельно допустимых выбросов (ПДВ) предприятий используются специальные расчетные методики, учитывающие параметры каждого источника загрязнения, климатические условия, характер подстилающей поверхности. Наиболее известными являются: методика ОНД-86 [1], единственная имеющая в России официальный статус; уравнение турбулентной диффузии Гаусса и его многочисленные модификации [2]; гидротермодинамическая модель А.С. Гаврилова [3] и др.

Из не имеющих официального статуса методов расчетов рассеивания загрязняющих веществ над большими территориями, используются более простые модели, учитывающие мощность выбросов от крупных источников (городов, отдельных предприятий), высоту слоя перемешивания атмосферы, повторяемость и скорость ветров различных направлений. Так, для оценки загрязнения атмосферного воздуха над территорией Удмуртии [4] нами был использован методический подход, разработанный В.А.Петрухиным и В.А.Вишенским [5] для количественной оценки состояния атмосферного воздуха при распространении загрязняющих веществ на значительные расстояния. Несложная формула позволяет рассчитывать средние значения концентраций по слою перемешивания, исходя из допущения об их равномерном распределении в пределах этого слоя:

где С - средняя концентрация вещества (мг/м3) в слое перемешивания Н;

Рг - повторяемость направления переноса в ьм секторе (в долях единицы);

Qi - мощность источника загрязнения (тыс. т/год);

- расстояние от источника до контрольной точки (км); и - скорость ветра в слое перемешивания (км/сут);

Н - высота слоя перемешивания (км);

т - время присутствия примеси в атмосфере, определяющееся интенсивностью процессов химической трансформации и осаждения (сут).

Авторами данной методики [5] применительно к условиям умеренного пояса Евразии были рекомендованы следующие константы: 8 = 120 суток для оксида углерода, 5 суток для углеводородов и взвешенных частиц, 2 суток для диоксида серы и 0,7 суток для диоксида азота; и = 400 км/сут. Для определения высоты слоя перемешивания по имеющимся данным [6] была построена и использована в дальнейших расчетах карта высоты слоя перемешивания.

Мощности источников загрязнения определялись по опубликованным данным [7-25], относящимся к территории Приволжского федерального округа (ПФО) и соседним регионам. При этом в расчет были включены города, районные центры. Расчет выполнен по 5 наиболее распространенным загрязняющим веществам: оксидам азота, серы, углерода, углеводородам и твердым взвешенным частицам. Опытным путем (перебор вариантов) определено, что удовлетворительная сходимость расчетных результатов с данными мониторинга получается при исключении участков территорий, удаленных от учтенных источников выбросов на расстояние до 5 км. При меньших расстояниях требуется учет условий эмиссии и особенностей подстилающей поверхности. Таким образом, для характеристики уровней загрязнения в городах был использован способ внемасштабных знаков с применением той же цветовой шкалы.

При определении вклада междугородных автомагистралей в атмосферный выброс загрязняющих веществ исходили из следующих особенностей данного источника:

• узкой линейной локализации выбросов, привязанной к дорогам;

• неоднородности насыщенности и состава транспортного потока во времени, зависящей от сезона года, дня недели, времени суток;

• значительной пространственной изменчивости характеристик потока, определяющейся степенью удаленности от крупных населенных пунктов, направлением и характером покрытия дорог;

• приземного положения источников, замедляющего процессы рассеивания выбросов.

За ведущий расчетно-нормативный документ были приняты «Рекомендации по учету требований по охране окружающей среды при проектировании автодорог и мостовых переходов» как более адаптированный к данному типу выбросов [26]. Мощность эмиссии углеводородов, оксидов азота и углерода в отработавших газах отдельно для каждого газообразного вещества определяется по формуле

q = 2,06 x 10-4 x m x

i

i

X Gik xNit x Kt + X G* xN„ xK„

где д - мощность эмиссии данного вида загрязнений от транспортного потока на конкретном участке дороги, г/м-с;

2,06 х 10 - коэффициент перехода к принятым единицам измерения;

т - коэффициент, учитывающий дорожные и автотранспортные условия, принимается в зависимости от средней скорости транспортного потока;

- средний эксплуатационный расход топлива для данного типа (марки) карбюраторных автомобилей, л/км;

Огд - то же для дизельных автомобилей, л/км;

- расчетная перспективная интенсивность движения каждого выделенного типа карбюраторных автомобилей, авт/ч;

Ыц, - то же для дизельных автомобилей, авт/ч;

Кк и Кд - коэффициенты, принимаемые для данного компонента загрязнения для карбюраторных и дизельных типов двигателей соответственно.

Расчетная перспективная интенсивность движения автотранспорта была определена эмпирическим путем с применением метода аналогов. Средняя скорость потока была взята за 100 км/ч.

При значительном разнообразии качественного состава транспортного потока существенную сложность составляет необходимость учета выбросов для разных категорий автомобилей. Согласно СНиП 2.05.02-85 «Автодороги» [27] при помощи коэффициента приведения выбросы от всех категорий автотранспорта можно свести к одному типу. Применение при расчетах коэффициента приведения целесообразно лишь в случае, если связанные с ним погрешности не будут играть существенной

роли в формировании конечного результата либо итоговые значения воздействия будут ничтожно малы. Следовательно, использование коэффициента приведения недопустимо для транспортной сети городов (где воздействие от выбросов автотранспорта максимально), но вполне допустимо для определения объемов выбросов от транспорта на междугородных автотрассах, характеризующихся узко локализированной зоной воздействия.

В «Рекомендациях по учету требований по охране окружающей среды при проектировании автодорог и мостовых переходов» [26] приводится наиболее объективная модель гауссового распределения примеси в атмосфере, поступающих в атмосферу от автотранспорта. Она учитывает такие параметры, как мощность эмиссии, скорость ветра, направление ветра относительно трассы дороги, стандартное отклонение гауссового рассеивания в вертикальном направлении (зависит от интенсивности солнечной радиации и удаленности от кромки дорожной полосы), фоновая концентрация. Информация об условиях рассеяния (скорость, направление ветра) содержится в научно-прикладном справочнике по климату СССР [6]. Таким образом, на основании данной модели можно получить концентрации загрязняющих веществ на прилегающих к автомагистралям территориях. Концентрация загрязнений атмосферного воздуха окисью углерода, углеводородами, окислами азота вдоль автомобильной дороги определяется по формуле

С = ^--------23-----— + Б,

ы2п х ах Vх 81и^

где С - концентрация данного вида загрязнения в воздухе, г/м3;

а - стандартное отклонение гауссового рассеивания в вертикальном направлении, м;

V- скорость ветра, преобладающего в расчетный месяц летнего периода, м/с;

Ф - угол, составляемый направлением ветра к трассе дороги. При угле от 90° до 30° скорость ветра следует умножать на синус угла, при угле менее 30° - коэффициент 0,5;

Б - фоновая концентрация загрязнения воздуха, г/м3.

Обобщающие результаты расчета в форме индексов загрязнения атмосферы (ИЗА) представлены на рис. 1. Как видно из него, в малонаселенных районах, удаленных от значимых источников эмиссии выбросов, индексы загрязнения не превышают 2 и практически соответствуют природному фону. Несколько более высокий фон (ИЗА от 2 до 5) формируется в пределах заселенной, экономически освоенной территории ПФО, в т.ч. нефтеперерабатывающей центрально-башкирской, оренбургской металлургической и центрально-мордовской промышленных зон. Повышенный уровень загрязнения (ИЗА от 5 до 10) характерен окрестностям крупных городов (Уфы, Стерлитамака, Магнитогорска, Казани) и Нижегородскому производственному узлу. Высокий уровень загрязнения (ИЗА более 10) имеет место на территории Нижнекамской и Самарской промышленных зон, а также в таких городах, как Саратов, Самара, Казань, Набережные Челны, Пермь и другие, где значения ИЗА показаны внемасштабными знаками.

В качестве верификации были сопоставлены расчетные значения ИЗА по модели с фактическими, по данным, опубликованным в государственных докладах [7-25]. Полученные результаты почти полностью совпали с данными мониторинга. Исключение составили такие специализированные в промышленном отношении города, как Дзержинск и Глазов, где загрязнение атмосферного воздуха в значительной степени формируется выбросами специфического состава. В то же время размеры данных населенных пунктов настолько малы, что представляется нецелесообразным показ их на карте внемасштабными знаками.

Значения фонового ИЗА, сформированного вибросани от стацнонарньп источников

Значения добавочного ИЗЛ, сформированного выбросами от меадугцродннх. автомагистралей

-и-ьи+++

менег 0,2 0,2 - 0,3 ошіее 0.Ї

Зіїачсиим НЗЛ а городах • 2-і О 3-10

0 боясс 10

Рис. 1. Значения индекса загрязнения атмосферы (ИЗА) на территории Приволжского федерального округа

На качественное состояние атмосферного воздуха, помимо условий эмиссии и физикохимических свойств поллютантов, влияют процессы самоочищения атмосферы, которые в свою очередь определяются такими параметрами, как влажность, наличие и интенсивность осадков, скорость и направление ветра в данном слое, интенсивность солнечной радиации, коэффициент температурной стратификации. Для оценки возможного загрязнения воздуха при постоянных параметрах вредных выбросов в атмосферу в настоящее время часто используется понятие «потенциал загрязнения атмосферы». Этим понятием охватывается совокупность реальных метеорологических условий, обусловливающих накопление в атмосфере вредных примесей. И соответственно уровень потенциала загрязнения атмосферы (ПЗА) зависит от повторяемости условий, неблагоприятных для рассеивания при-

месей [28-30]. Выразить рассеивающую способность атмосферы показателем возможного уровня загрязнения атмосферы (в условных единицах) при определенных метеорологических условиях и фиксированных параметрах источников в конкретном районе позволяет физико-математический метод, опубликованный Гидрометеоиздатом, где учитываются такие показатели, как Рин - повторяемость приземных инверсий, Рсл - повторяемость скорости ветра в интервале 0-1 м/с, Рз - повторяемость застоя воздуха (приземные инверсии со слабыми ветрами), Рт - повторяемость туманов [31].

Результат наложения зон с разным ПЗА [30] на карту значений индекса загрязнения атмосферы по данным 2004-2006 гг. (ИЗА) отображен на рис. 2.

В качестве дополнительной характеристики состояния атмосферного воздуха использовались данные о повторяемости включения в списки городов с максимальными концентрациями или наибольшими уровнями загрязнения атмосферы за 1998 - 2006 гг. [32]. При выявлении тесноты связи между повторяемостью вхождения в списки и ИЗА отмечаются положительные значения коэффициента корреляции г = 0,311. Относительно невысокие ее значения объясняются тем, что расчетные показатели ИЗА основываются, прежде всего, на данных о выбросах довольно ограниченного списка загрязняющих веществ, публикуемых в ежегодных докладах о состоянии окружающей среды. В то же время максимальные концентрации загрязняющих веществ и уровней загрязнения зачастую обусловлены выбросами диффузных, неподдающихся учету источников и связаны с присутствием в атмосферном воздухе ряда высокотоксичных специфических ЗВ (таких как формальдегид, бенз(а)пирен, сероводород, хлористый водород и т.д.) [7].

Шдехс загрязнения егптосфвры:

мен**- 1 3 5 10 50 Вол*»

^ IMHMHU Hi t t JvpaiaX

lliMtiaiiiititLi зщн?нения атмосферы:

I I M-w

I j |] Ї.7-Л,*

[ ^| Afl- ij

ИЛМйии f tDHtflM .'tifnnttm eмчкіимаіьньі.чиурмннми нк'рлпшшя

ги mptwt IM  JMtfA

O I) *

* 30 -

Рис. 2. Значения потенциала и индекса загрязнений атмосферы, повторяемость высоких уровней загрязнения в городах ПФО

Анализ связи ПЗА и ИЗА показал г = -0,506, при исключении из расчета гг. Кумертау, Белорецк и Салават, где расчетные значения ИЗА не были подтверждены данными наблюдений, теснота связи снизилась до г = - 0,253. При сопоставлении показателей ПЗА и повторяемости вхождения городов в списки определен коэффициент корреляции г = 0,213. Таким образом, в обоих случаях теснота связи между показателями загрязнения атмосферы и природными предпосылками определяется как слабая.

На основании полученных результатов можно сделать ряд выводов. Во-первых, система обработки и предоставления исходной информации о характере загрязнения воздуха зачастую делает невозможным получение для большой территории сопоставимых данных, что в свою очередь может привести к неправильной их интерпретации при расчете интегральных показателей. В то же время значения ИЗА по отдельным городам, полученные по результатам мониторинга, публикуются нерегулярно, а в связи со значительной изменчивостью данного показателя год от года ставится под сомнение объективность использования таких данных в качестве верификации расчетных значений.

Во-вторых, несмотря на слабую тесноту связи, выявленную коэффициентом корреляции между повторяемостью вхождения городов в списки и ПЗА, пространственно довольно четко прослеживается группировка «неблагополучных» городов по зонам ПЗА. Так, на территории с умеренным ПЗА (2,4-2,7) отмечаются лишь два города (Казань и Нижний Новгород), характеризующихся довольно высокой частотой попадания в списки городов с неблагополучным состоянием воздушного бассейна. В то время как остальные города характеризуются менее напряженной в этом отношении ситуацией. И наоборот, города зон с повышенным (2,7 - 3,0) и высоким (3,0 - 3,3) ПЗА характеризуются значительно более высокой повторяемостью попадания в списки.

Необходимо отметить, что реализация природных предпосылок к формированию высоких уровней загрязнения, выражаемых показателем ПЗА, в значительной степени зависит от наличия, мощности и характера источников загрязнения. Наряду с действием климатических и техногенных факторов на загрязнение воздушного бассейна влияют и орографические особенности местности. Таким образом, для каждого города причинами формирования высокого уровня загрязнения могут становиться совершенно специфичные факторы. Тем не менее вполне допустимой будет классификация данных городов по принципу действия ведущих факторов и степени загрязнения атмосферы:

1) города-мегаполисы, отличающиеся высокой насыщенностью автотранспортом, развитой промышленностью и значительными объемами выбросов. Высокие уровни ИЗА (более 9) формируются вне зависимости от величины ПЗА: Казань, Нижний Новгород, Пермь, У фа, Самара;

2) города со сходным качеством проблем, но меньшими размерами воздействия на атмосферу относятся к зоне умеренного и повышенного ПЗА и характеризуются высокими значениями ИЗА (812): Чебоксары, Набережные Челны, Ижевск, Саранск, Саратов, Балаково. Уровни загрязнения атмосферы определяется совокупностью факторов природного и техногенного характера;

3) города, расположенные в зоне повышенного и высокого ПЗА, характеризующиеся небольшими объемами выбросов, но повышенной их токсичностью от предприятий химической и нефтехимической промышленности, - Соликамск, Стерлитамак, Нижнекамск, Березники, Кумертау, Губаха, Салават. Во многом формирование повышенных уровней загрязнения предопределятся влиянием факторов ПЗА;

4) города с относительно небольшими выбросами от предприятий черной металлургии, но расположенные в зоне повышенного и высокого ПЗА, - Белорецк, Новотроицк. Высокие показатели ИЗА в значительной степени определяются климатическими и орографическими особенностями местности;

5) города, расположенные в зоне умеренного ПЗА, но характеризующиеся наличием высокотоксичных выбросов от предприятий нефтехимической и химической промышленности, - Новокуй-бышевск, Кирово-Чепецк, Дзержинск, Кстово. Населенные пункты из данного списка являются спутниками более крупных городов, что приводит к наложению суммации их воздействия и формированию повышенных значений ИЗА.

Таким образом, различия в уровнях атмосферного загрязнения определяются как факторами техногенного характера, так и особенностями местности. Далеко не последнюю роль играют климатические факторы, учет которых необходим при определении путей решения существующих экологических проблем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 93 с.

2. Бретшнайдер Б., Курфюрст И. Охрана воздушного бассейна от загрязнений: Технология и контроль / пер. с англ. Л.: Химия, 1988. 288 с.

3. Экологический программный комплекс для персональных ЭВМ: Теоретические основы и руководство пользователя ЭПК «ZONE» / под ред. А.С.Гаврилова. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 166 с.

4. Переведенцев Ю.П. и др. Климатические условия и ресурсы Республики Удмуртия. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2009. 212 с.

5. Petrukhin V.A., Vishensky V.A. Modelling and evolution of Eurasian Tropospheric background pollution based on the data bank of multi-year measurements // Changing composition of the troposphere. Spatial Environment. Rep. № 17. WMO. 1989. P. 83-86.

6. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. Вып. 29, Ч.1-6. 582 с.

7. Г осударственный доклад о состоянии окружающей среды в Республике Башкирия в 2000 г. Уфа, 2001. 186 с.

8. Государственный доклад о состоянии окружающей среды Республики Марий Эл в 2000 г. Йошкар-Ола, 2003. 217 с.

9. Г осударственный доклад о состоянии окружающей среды Республики Татарстан в 2001 г. Казань, 2002. 247 с.

10. Государственный доклад о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2005 г. Казань, 2006. 239 с.

11. Государственный доклад о состоянии ОПС Республики Чувашия в 2000 г. Чебоксары, 2001. 198 с.

12. Государственный доклад о состоянии ОПС Самарской области в 2001г. Самара, 2002. Вып. 12. 224 с.

13. Государственный доклад о состоянии окружающей среды Свердловской области в 2002 г. Екатеринбург, 2003 г. 189 с.

14. Государственный доклад о состоянии окружающей среды Челябинской области в 2002 г. Челябинск, 2003. 225с.

15. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Республики Удмуртия в 2002 г. Ижевск, 2003. 231с.

16. Государственный доклад о состоянии ОПС Ульяновской области в 2001г. Ульяновск, 2002. 178 с.

17. Доклад о состоянии окружающей природной среды Оренбургской области за 2002 г. Оренбург, 2003. 206 с.

18. Доклад о состоянии природной среды в Ростовской области в 1998 г. Ростов-н/Д., 1999. 186 с.

19. Доклад о состоянии и об охране окружающей среды Саратовской области в 2004 г. / Комитет экологической безопасности и природопользования Саратовской области. Саратов, 2005. 195 с.

20. Доклад о состоянии ОПС Ярославской области в 2001 г. Ярославль, 2002. 211 с.

21. О состоянии окружающей природной среды Кировской области в 2003 г. Киров, 2004. 209 с.

22. Состояние и охрана ОПС Республики Мордовия в 1999 г. Саранск, 2000. 223 с.

23. Состояние окружающей среды и природных ресурсов Нижегородской области в 2003 г. /ред. М.М. Суетно-ва, Н.Г. Соколова. Н. Новгород, 2004. 245 с.

24. Состояние и охрана окружающей среды г. Пермь в 2003г.: справ.-информ. материалы. Пермь, 2004. 238 с.

25. Состояние и охрана окружающей среды Пермской области в 2003 г. Пермь, 2004. 235 с.

26. Рекомендации по учету требований по охране окружающей среды при проектировании автодорог и мостовых переходов. М., 1995. 75 с.

27. СНиП «Автомобильные дороги» 2.05.02-85. М., 1997. 69 с.

28. Безуглая Э.Ю., Берлянд М.Е. Климатические характеристики условий распространения примесей в атмосфере: справ. пособие. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 328 с.

29. Безуглая Э.Ю. К определению потенциала загрязнения воздуха // Тр. ГГО. 1968. Вып.234. С. 69-80.

30. Безуглая Э.Ю. Метеорологический потенциал и климатические особенности загрязнения воздуха городов. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 184 с.

31. Климатические характеристики условий распространения примесей в атмосфере: справ. пособие. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 328 с.

32. Стурман В.И. Природные и техногенные факторы загрязнения атмосферного воздуха российских городов // Вестн. Удм. ун-та. Сер. Биология. Науки о Земле. 2008. Вып.2. 152 с.

Поступила в редакцию 02.04.10

V.M. Gabdullin, candidate of geography, associate professor A. V Semakina, postgraduate student

Modelling of air pollution for the territory of Privozhski federal region

When the atmosphere circulation is intense the pollution level is determined by pollutants emission both from nearby and distant sources. Thus, when mapping the atmosphere pollution level in Privolzhski federal region, emissions both from the territory of the federal region and nearly cities of the neighboring region were taken into account. The method of V.A. Petrukhin and V.A. Vishensky was used to solve the problem. This method makes it possible to calculate mean values of pollutant concentration for a homogeneous layer. The contribution of natural factors to atmosphere pollution is considered.

Keywords: modeling, atmosphere, emissions, pollutants, and stationary sources, highways, the potential pollution of the atmosphere.

Габдуллин Василь Миннахметович, заведующий геоэкологической лабораторией,

кандидат географических наук, доцент

Семакина Алсу Валерьевна, аспирант

ГОУВПО «Удмуртский государственный университет»

426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1

E-mail: alsen13@list.ru