Метод интегральной оценки территориального загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона

ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ

РЕСУРСОВ

УДК 504.064

Э.М. Соколов, д-р техн. наук, проф.,

МЕТОД ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ТЕРРИТОРИАЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО РЕГИОНА

Рассматривается метод интегральной оценки территориального загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона, который позволяет адаптировать существующие модели к определенным условиям конкретного горнопромышленного региона и учитывать климатические особенности региона, особенности рельефа местности, территориальные распределения горнопромышленных объектов, а также объемы и состав выбросов загрязняющих атмосферу веществ.

Ключевые слова: экологический мониторинг, загрязнение атмосферы, горнопромышленный регион, модель Гаусса.

Результаты геоэкологических исследований однозначно свидетельствуют о том, что загрязнение приземного слоя атмосферы - самый мощ-

ный, постоянно действующий фактор влияния на человека, пищевую цепь и окружающую среду.

Тульская область - один из самых развитых горнопромышленных регионов Центрального федерального округа России. Большое развитие на территории области получила добыча бурого угля. В Тульской области добывалась большая часть разрабатываемых бурых углей Подмосковного угольного бассейна. В области разведано более 160 месторождений различного сырья для производства строительных материалов, из которых в промышленное освоение вовлечено 60. Тульский регион занимает первое место в Центральном экономическом районе России по ресурсам строительного камня, гипса, имеются значительные запасы сырья для производства цемента и стеновых материалов. В настоящее время действующих шахт на территории области практически нет. Однако, многие экологические проблемы, которые сформировались при эксплуатации месторождения, до сих пор актуальны и останутся таковыми еще на много лет. Кроме горнодобывающей промышленности основными видами производства являются машиностроение (включая оборонный комплекс), химическое производство, черная металлургия, производство стройматериалов, производство пищевых продуктов, энергетика, радиоэлектроника, приборостроение. Увеличение объема производства в условиях рынка приводит к существенному повышению пылегазовых выбросов в атмосферу.

Кроме объектов промышленности, в Тульской области на загрязнение окружающей природной среды влияют и другие факторы. Во-первых, значительное влияние оказывают трансграничные переносы загрязняющих веществ из стран, соседствующих с Россией. Основными районами трансграничного влияния на атмосферу России являются: Западная и Восточная Европа (особенно Германия и Польша), Северо-восточные районы Эстонии (район добычи и переработки сланцев), Украина (радиоактивное загрязнение в районе Чернобыля, высокая концентрация промышленных узлов в центральной части, в Харьковской, Мариупольской областях и Донбассе), Северо-западный Китай (радиоактивное загрязнение), Северная Монголия (горнопромышленные районы).

Во-вторых, несмотря на то, что в настоящее время действующих шахт на территории области практически не осталось, многие экологические проблемы, которые сформировались при эксплуатации месторождений, до сих пор актуальны. А именно, влияние оказывают следы хозяйственной деятельности - отвалы, терриконы, хвостохранилища. Ежегодно в отвалы поступает до 5 млрд т вскрышных пород. Отходы горного производства занимают более 1 млн га плодородных земель РФ. На долю отвалов приходится до 65 % площади земельного отвода горного предприятия. Поэтому отвалы горных пород и некондиционных полезных ископаемых служат представительными объектами для исследования процесса образования пыли.

В существующих методиках и моделях расчета загрязнения атмосферы не учитываются трансграничные переносы и эмиссия пыли с горных отвалов. В связи с этим, в настоящее время появилась необходимость в разработке технических средств контроля и мониторинга состояния окружающей среды, а именно, в разработке на примере Тульской области эффективной автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха промышленного региона, используя системный геоэкологический подход, обобщающий накопленные знания в области экологии, охраны окружающей среды и геотехнологий, открывающиеся структурно-управленческие и экономические возможности [1-2].

Моделирование процессов загрязнения атмосферы снимает ряд неточностей и решает такие задачи как прогнозирование, размещение постов мониторинга (стационарных и мобильных), вклад конкретного промышленного объекта в общее загрязнение воздуха в реальном времени с целью принятия управленческих мер по нормированию выбросов.

В России большой вклад в разработку математических моделей внесли работы школы академика Г.И.Марчука, А.А.Беккера, П.Н. Белова, фундаментальные аспекты математического моделирования загрязнения воздуха сформулированы в работах М.Е. Берлянда, Е.Л. Генихович, Р.И. Оникула, Н.Л. Бызовой, Ю.А. Анохиной, А.Х. Остромогильского (Лаборатория моделирования и прогноза загрязнения атмосферы); академика С.А. Солодкова (Институт прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова) и др. [3-5].

Работы по созданию автоматизированных систем мониторинга атмосферы ведутся в Тульской области с 1994 года в рамках реализации ФЦП «Оздоровление экологической обстановки и охраны здоровья населения Тульской области» и до настоящего времени. Построением автоматизированных систем экологического мониторинга в нашей стране занимаются проф. Г.В. Аверин, А. А. Любимов, В.Ю. Волков, Ю.Д. Эдель-штейн, В.В. Бугровский, А.М. Погорелов, А.В. Бизикин и др.

Существующие технические средства контроля и мониторинга за состоянием атмосферного воздуха не всегда отвечают современным требованиям, имеют большую погрешность измерений и не дают достаточной картины для принятия управленческих решений по данному направлению охраны окружающей среды. В связи с этим необходимой является адаптация существующих систем к определенным условиям конкретного горнопромышленного региона. Для этого предлагается учитывать климатические особенности региона, особенности рельефа местности, территориальные распределения объектов горно-перерабатывающей промышленности, а также объемы и состав выбросов загрязняющих веществ в атмосферу [5].

Оценка загрязнения атмосферного воздуха предполагает моделирование процессов загрязнения воздуха с параллельным измерением концентраций загрязняющих веществ с помощью системы экологических датчиков. Необходимость сравнения полученных результатов и дальнейший прогноз развития ситуации и составляет значимую часть системы, создаваемую с целью принятия управленческих решений в области охраны атмосферного воздуха. Схема такой системы представлена на рис. 1.

ГI

МОДЕЛИРОВАНИЕ

1=г,

источник

и

СРАВНЕНИЯ ДАННЫХ

ПРОГНОЗ

ИЗМЕРЕНИЯ

Рис. 1. Система оценки загрязнения атмосферы

Одной из основных задач, поставленных в данной работе, была разработка метода, основанного на интегральной оценке рассогласования полученных значений концентраций экспериментальным путем и путем моделирования процессов, происходящих в атмосфере горнопромышленного региона, в том числе оценке рассогласования полученных значений концентраций экспериментальным путем (путем замеров) и путем моделирования процессов, происходящих в атмосфере горнопромышленного развитого региона.

Моделирование процессов загрязнения атмосферы снимает ряд неточностей и решает такие задачи, как прогнозирование, размещение постов мониторинга, вклад конкретного промышленного объекта в общее загрязнение воздуха в реальном времени с целью принятия управленческих мер по нормированию выбросов.

Моделирование позволяет по точечным замерам концентраций строить карты распределения загрязняющих веществ по территории, что дает возможность использовать полученную информацию для оценки и прогноза величин загрязнения атмосферного воздуха управленческими органами.

Метод учитывает следующие виды оценок состояния загрязнения.

1. Точечная оценка.

Принимаем ? = т.е. реальный момент времени.

Зная, что приземная концентрация вредных веществ с, (мг/м ) в любой точке местности при наличии N источников определяется по формулам

м

см - cM+сМ+...+CM Э - сЭ + сЭ +...+сЭ,

с

АСт

CM - сЭ

M

где С - концентрация вредных веществ, полученная в результате моделирования процессов рассеивания; С - концентрация, полученная экспериментальным путем (путем замеров с помощью экологических датчиков); N - число источников; АСт - разность значений концентраций загрязняющих веществ, полученных теоретическим и экспериментальным путем, запишем

ас1 - С1 - сЭ

АСт - пМ С2 - С2Э

АСт - < СМ Сп - СЭ Сп

Для количественной оценки показателей введем С^оп - допустимую погрешность расхождения значений полученных концентраций загрязняющих веществ.

Выбор математической модели, приемлемой в той или иной ситуации, объясняется соотношением

К

Су £ Сдоп, при условии Сдоп  min.

2. Интегральная оценка (рис. 2).

Рис.2. Графики функций модели и эксперимента

Принимаем СМ = f1(t), СЭ = fi(t), t = ti, t = t2 (определенный промежуток времени), тогда используется следующая формула:

t2 2 I = J ^.fx(t) - f2(t )]2 dt, tl

где I - вектор интегральной оценки расхождения.

Условие выбора математической модели с целью адекватной оценки загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона определяется соотношением

1 £ 1доп, 1допmin . Для полного математического описания закономерностей загрязнения атмосферы пылегазовыми выбросами в предлагаемой модели необходимо учитывать совокупность определяющих факторов, таких как условия распада, перегрев исходящих газов, гравитационное осаждение частиц, турбулентность, тип местности и влияние крупных зданий, пылегазовые выбросы горных производств и их отвалов.

Возможность проводить сравнительный анализ полученных значений концентраций загрязняющих веществ экспериментальным путем и путем математического моделирования позволило создать алгоритм реализации метода интегральной оценки территориального загрязнения атмосферного воздуха (рис.3), который представляет собой ряд операций, заключающихся в переборе математических моделей согласно заданным условиям Д С < Cäon, и коррекции исходных данных в случае невыполнения операций.

Наличие N математических моделей позволяет осуществлять моделирование загрязнения атмосферного воздуха с большой точностью за счет использования определенной модели в конкретных условиях исследуемой территории.

Предлагаемые методики и модели:

-упрощенная модель Гаусса,

-модель с учетом турбулентности,

-модель с учетом перегрева газов,

-модель с учетом турбулентности и перегрева газов,

-модель с учетом влияния распада,

- полная модифицированная модель,

-методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий;

- методики расчета пылегазовых выбросов горно-перерабаты-вающих предприятий.

Модель I. С£

I

Рис. 3. Алгоритм реализации метода интегральной оценки территориального загрязнения атмосферного воздуха

Данный метод позволяет адаптировать существующие модели к определенным условиям конкретного горнопромышленного региона. При этом учитываются климатические особенности региона, особенности рельефа местности, территориальные распределения горнопромышленных объектов, а также объемы и состав выбросов загрязняющих атмосферу веществ.

Статья подготовлена по результатам Государственного контракта П619 «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по теме «Разработка технологий мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы крупных промышленных городов» в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.

Список литературы

1. Сравнительный анализ некоторых математических моделей для процессов распространения загрязнений в атмосфере / И.В. Белов [и др.] // Математическое моделирование. 1999. № 7. С. 45-49.

2. Методы и приборы экологического мониторинга / Б.И. Герасимов [и др.]. Тамбов: Изд-во ТГТУ. 1996. 111 с.

3. Диденко В.Г., Иванов Н.Б. О совершенствовании методики расчета рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере / Волгоград: ВИНИТИ. 2004. 7 с.

4. Закарин Э.А., Миркаримова Б.М. Математическое моделирование загрязнения атмосферы города на основе ГИС // Известия РАН ФАО. 2000. № 3. С. 12-22.

E.M. Sokolov, V.M. Panarin, A.A. Gorjunkova, J.N. Pushilina, A.A. Belousov, N.A. Telegina

METHOD OF INTEGRAL ASSESSMENT OF REGIONAL POLLUTION PRIZMNOGO LA YER OF THE A TMOSPHERE MINING REGIONS

Method of integral evaluation of territorial contamination of the surface layer of the atmosphere of the mining region, which allows the adaptation of existing models, are oriented to certain conditions specific gornopro the industrial region and take into account the climatic conditions of the region, especially the terrain, the territorial distribution of the mining facilities, and the size and composition of emissions of air pollutants substances.

Key words: environmental monitoring, pollution, mining and industrial region, the model Gauss

Получено 14.12.11

УДК 504.064

Э.М. Соколов, д-р техн.наук, проф., (4872)35-37-60,

panarin-tsu@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

В.М. Панарин, д-р техн.наук, проф., (4872)35-37-60,

panarin-tsu@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

А.А. Горюнкова, канд. техн. наук, доц., (4872)35-37-60,

anna zuykova@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

Ю.Н. Пушилина, асп., (4872) 35-37-60,

anna zuykova@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

А.А. Белоусов, асп., (4872) 35-37-60,

anna zuykova@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

Н.А. Телегина, асп., (4872)35-37-60

anna zuykova@rambler.ru

МЕТОДИКА ОПЕРАТИВНОЙ ОЦЕНКИ УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ПРОМЫШЛЕННЫМИ ПРЕДПРИЯТИЯМИ

Рассматривается методика оперативной оценки уровня загрязнения воздушной среды промышленными предприятиями, согласно которой проводятся как экспериментальные исследования, так и моделирование процессов, происходящих в атмосфере.

Ключевые слова: экологический мониторинг, загрязнение атмосферы, горнопромышленный регион, модель Гаусса.

Наибольший вклад в загрязнение атмосферы Тульской области вносят предприятия энергетики - 48 % и металлургия - 32,7 %. Помимо про-

511