СПОСОБ МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД ТЕХНОГЕННЫМ ИСТОЧНИКОМ
METHOD OF MONITORING POLLUTION OF NATURAL MEDIA BY TECHNOGENIC SOURCE

Изобретение относится к области охраны окружающей среды применительно к оценке влияния промышленных объектов на экологическую обстановку. Способ предназначен для мониторинга влияния точечных аэрозольно-пылевых источников загрязнения на окружающую среду.
Известен способ экологического мониторинга опасных экологических объектов (патент РФ №2413220 от 26.10.2009), который включает отбор проб компонентов природной среды, анализ проб, обработку данных анализа, проводимую по результатам обработки данных анализа, оценку экологической обстановки в зоне техногенного влияния объекта, в максимально загрязненной зоне, в санитарно-защитной зоне, в зоне защитных мероприятий, проводимый до начала строительства объекта, фоновый мониторинг территории, сравнение данных мониторинга, получаемых в ходе функционирования объекта, с результатами фонового мониторинга, а также с установленными нормативами качества природной среды в виде предельно допустимых концентраций (ПДК). Экологический мониторинг в процессе функционирования объекта проводят в точках (областях) пробоотбора с максимально вероятным присутствием загрязняющих веществ (ЗВ) в объектах мониторинга - почве, снежном покрове, водах и донных отложениях. Как правило, пробы отбирают в точках, расположенных, например, на окружностях с радиусами 1, 2, 3, 5 и 10 км по 24 точки на каждой окружности с центром в точке нахождения источника выбросов загрязняющего вещества объекта, число которых определяется по результатам статистической обработки месячных данных о направлениях и скоростях ветра. Недостатком указанного способа является большое количество точек пробоотбора, что делает способ долгим и трудоемким. Кроме того, в зонах постоянного загрязнения (крупные города) нет возможности проводить фоновый мониторинг.
Известен способ оценки содержания тяжелых металлов в атмосферном воздухе (RU 2321030, заявка от 19.06.2006), где биоиндикатором загрязненности воздуха является древесный мох. Образцы древесного мха отбираются со стволов деревьев на высоте 1-1,5 метра, проводится минерализация образцов и концентрация тяжелых металлов (Cu, Ni, Co, Pb, Zn), что определяется методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Древесные виды мхов выполняют функции природного сорбента. Недостатком способа является неравномерность роста мха и его слабое присутствие в некоторых зонах загрязнения.
2
Известен также способ оценки интенсивности загрязнения снежного покрова (патент РФ №2325640 от 01.02.2007), при котором проводится отбор проб снега и определение поступления химических элементов на снежный покров в составе водорастворимых химических соединений из атмосферного воздуха, после чего вычисляется индекс интенсивности реального загрязнения (отношение реального поступления к реальному ПДК элементов на 1 кг снега на 1 м снежного покрова). Недостатком способа является трудоемкость процесса пробоотбора по многим точкам и анализа.
Ближайшим прототипом изобретения является кинематическая модель распространения тяжелой полидисперсной примеси из точечного источника [4]. Она позволяет количественно интерпретировать данные маршрутных наблюдений полей выпадений в окрестностях точечного источника. Однако описанная модель имеет ряд сложностей для практического полевого применения метода. Модель требует оценки трех эмпирических параметров, а также применения сложных и неоднозначных алгоритмов локально-оптимальных планов наблюдения, что связано с нелинейностью процессов в известной модели. Кроме того, требуются априорные сведения о параметрах источника (дисперсия частиц), которые часто неизвестны.
Другой особенностью экологического мониторинга местности является то, что администрация предприятия неохотно допускает исследователей на заводскую территорию и это создает неполную картину загрязнений при отборе по прямоугольной частой сетке, как это известно из практики экологического мониторинга.
Целью изобретения является упрощение процедуры отбора проб загрязнений, создаваемых аэрозольно-пылевым точечным источником, при которой нет необходимости построения подробностей сетки отбора проб вокруг источника.
Химические элементы, входящие в состав выбросов промышленных предприятий в атмосферный воздух, поступают на подстилающую поверхность (почва, снег, растительный покров, мох) с сухими и мокрыми выпадениями в течение всего года и накапливаются в ней. Но именно снег обладает особенностью захватывать из атмосферного воздуха загрязняющие вещества и аккумулировать их в своей массе от начала установления снежного покрова до его схода. Кроме того, именно в течение зимнего периода загрязняющие вещества из снега не переходят в другие компоненты природной среды (так, например, загрязнения в летний период вымываются в водоемы и грунтовые воды во время дождей). Это позволяет упростить модели и подходы, по которым проводится экологический мониторинг, и уменьшить число точек отбора.
При всем разнообразии видов загрязнений и процессов массопереноса от источника загрязнений в окружающую среду мы выделим распространенный класс экологического мониторинга ситуации. Речь идет о долговременных процессах загрязнения вокруг высокого и точечного источника загрязняющих веществ, который приподнят над поверхностью, окружающей промышленное предприятие. Типичный пример такого класса источника - труба предприятия теплоэнергетики (если сжигается уголь, нефть, мазут). Обычно тепловые и энергетические станции оснащены трубами, имеющими высоту в интервале 50-150 метров, и аэрозольные и пылевые выбросы несгоревших продуктов деятельности ТЭЦ разносятся на большие площади, намного превышающие площадь самого предприятия. Различия в химическом составе выбросов связны с различными типами топлива. Например, аэрозольно-пылевые выбросы ТЭЦ на кузбасских углях имеет такие элементы, как Sb, U, Ge, Sn, Cd, S и другие элементы. Кроме неорганических соединений, в выбросах ТЭЦ имеются полиароматические углеводороды, включая канцерогенные вещества (бенз(а)пирен). Большая часть загрязнений переносится частицам пыли и аэрозоли размером более 50 микрон.
Другим важным фактором распределения аэрозольно-пылевых загрязняющих веществ, накапливающихся в снежном покрове, является роза ветров (климатическая повторяемость направлений ветра) в течение всего периода мониторинга, которая влияет на концентрационные поля загрязнений вокруг источника. Очевидно, что поля загрязнений вытягиваются в направлении наветренной стороны.
Кроме снежного покрова при мониторинге загрязнений могут быть выбраны для элементного анализа другие компоненты окружающей среды, удерживающие загрязнители, такие как трава, листья. Способ, раскрытый в данном изобретении, применим и к таким компонентам окружающей среды, накапливающие загрязнения; при этом только изменяется временной интервал мониторинга и способ экстракции загрязняющих элементов из проб.
1
2
В целом, распространение загрязнений от техногенных источников является сложной аэродинамической и экологической задачей со многими параметрами. Но в случае высоко приподнятого над земной поверхностью точечного источника, генерирующего долговременные аэрозольно-пылевые загрязнения, возможно построить модель распространения загрязнений, основанный на простой формуле (1) с всего двумя неизвестными параметрами, которые определяются с помощью полевых измерений [1]. В случае снежного покрова концентрационная функция F(r, A, А) описывает концентрацию одного элемента загрязнения, выраженную в ppm (parts per million) или в мкг/кг отобранного образца снежного покрова. Формула содержит эмпирические коэффициенты А и В, которые определены далее:
<mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>A</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>B</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>A</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>R</mi><mi>B</mi></msup><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mi>C</mi><mo>/</mo><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где R - расстояние до точечного источника загрязнения, С=20·h (м), А и В - эмпирические коэффициенты. В более общем случае, можно получить уточненное значение параметра С, которое зависит от высоты источника загрязнения (высота трубы), турбулентности, скорости преобладающего ветра, температуры и объема выпускаемой воздуха, которые разносит пылевой загрязнитель. В таком случае параметр С оценивается по стандартным методикам [2, 3] и зависит от высоты трубы и средней скорости ветра в приземном слое атмосферы. Параметры А и В можно получить из натурных измерений.
Далее, чтобы оценить площадное выпадение аэрозольной примеси, необходимо учесть розу ветров за рассматриваемый период наблюдения местности; эта угловая функция известна из метеорологических наблюдений в виде функции угла G(φ). Пример диаграммы для розы ветров показан на фиг.3.
Тогда площадное выпадение техногенной пылевой примеси от точечного долговременного источника описывается формулой (2):
<mrow><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mo>,</mo><mi>ϕ</mi><mo>,</mo><mi>A</mi><mo>,</mo><mi>B</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>G</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ϕ</mi><mo>+</mo><msup><mrow><mn>180</mn></mrow><mo>∘</mo></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>A</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>B</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где G(φ+180º) - это транспонированная функция розы ветров с соответствующей нормировкой (максимальный перенос частиц происходит по направлению преобладающего ветра, а роза ветров, напротив, указывает вероятности откуда в данной местности дует ветер).
Пример реализации способа экологического мониторинга представлен на фиг.2. На фиг.2 показан высотный точечный источник частиц 1, маршрут пробоотбора 2 вдоль наветренной стороны источника и изолинии 3 концентраций одного вида загрязнений, который оседает на местности вместе с частицами.
Последовательность реализации способа, описанного в данном изобретении, следующая:
1. Выбирается совокупность веществ или элементов, для которых будет проводиться экологический мониторинг местности вокруг точечного источника. Этот выбор ожидаемых загрязнителей зависит от природы техногенного источника (труба ТЭЦ, работающая на угле, или же труба промышленного предприятия).
2. По известной сезонной розе ветров (усредненные наблюдения за последние зимы) определяется маршрут пробоотбора (вектор), совпадающий с максимальным ветровым воздействием в течение зимы.
1
2
3. По высоте трубы h определяется параметр С по формуле С=20*h. Возможно уточнение параметра С, как описано в [3]. Далее отбираются пробы искомого загрязнителя в точках r и r, находящихся в интервале от 5·h до 15·h на векторе, отложенном от точечного источника загрязнений в направлении преобладающего ветра.
1
2
1
2
1
2
4. В выбранных опорных точках r и r проводятся максимально аккуратные измерения искомого загрязнителя (группы загрязняющих элементов или веществ). Эти две концентрации в двух выбранных опорных точках r и r определены далее как q и q. Концентрации, в зависимости от аналитического оборудования, определяются в поле или позже в лаборатории.
1
2
2
1
1
2
5. По значениям концентраций и координат точек отбора вычисляется коэффициент В=ln(q/q·exp(С·((1/r)-(1/r))))/ln(r/r).
1
1
1
B
6. Коэффициент А вычисляется по формуле А=q/(r )·exp(-C/r).
7. Коэффициенты А и В используются для построения формулы (1) для профиля концентрации загрязняющего элемента (вещества) и строится график профиля концентрации.
8. Формула (1) умножается на транспонированную функцию розы ветров G(φ+180º), которая характерна для приземного слоя атмосферы в зимний период для исследуемого района.
9. На том же маршруте пробоотбора выбираются несколько (2-4) дополнительных контрольных точек (вдали от опорных точек). Если измеренные концентрации в контрольных точках не сильно (в пределах 30%) отличаются от расчетных по формуле (1), то общая процедура измерения и анализа загрязнений считается валидной (пример - график на Фиг.1). Если отличие экспериментальных данных от вычисленных по формуле выше чем 30%, то выбираются две другие опорные точки и процедура повторяется с п.3.
10. Полученная зависимость строится в виде карты с изолиниями загрязнений по каждому виду загрязнителей.
Таким образом, раскрытый способ мониторинга решает техническую задачу существенного упрощения отбора и анализа концентраций загрязняющих элементов вблизи техногенного точечного источника, генерирующего аэрозольно-пылевое облако загрязнений. Вместо отбора и анализа проб на сетке пробоотбора на местности, в случае одиночного техногенного источника загрязнения можно обойтись измерением в двух точках на выбранном маршруте пробоотбора.
Способ построения функции (1) иллюстрируется на фиг.1. По горизонтальной оси отложено расстояние на маршруте пробоотбора от источника загрязнений (высокой трубы) в единицах высоты трубы h. По вертикальной оси отложена концентрация искомого элемента в мкг/кг. Крупными ромбами показаны две опорные точки, концентрации и координаты которых входят в формулу для коэффициентов А и В. Дополнительные три точки на графике отображают контрольные отборы вдоль выбранного маршрута пробоотбора; эти точки необходимы для дополнительного контроля за качеством анализа на местности.
Способ мониторинга аэрозольно-пылевого загрязнения вокруг точечного источника применим к загрязнениям, которые переносятся частицами пыли и аэрозолей со средним размером более 50 микрометров.
ПРИМЕР.
В качестве примера экологического мониторинга приводим загрязнение снежного покрова бенз(а)пиреном в окрестностях высотной трубы обжигового цеха Новосибирского электродного завода. Значение высоты трубы (точечный источник загрязнений) h=180 м используется на момент планирования эксперимента - для расчета оптимального расстояния точек пробоотбора на выбранном маршруте.
Две точки на расстоянии 0,8 км и 1,55 км от трубы были выбраны как опорные точки пробоотбора. Оставшиеся четыре точки отбора на том же маршруте служат для контроля правильности процедуры.
Таблица 1.
Номер точки
Расстояние от трубы помаршруту, км
Концентрация бензапирена в снеге, мкг/кг
1 (опорная)
0,80
110
2
0,99
150
3 (опорная)
1,55
75
4
1,8
53
5
1,9
70
6
2,0
45
Доминирующее направление ветра в данной местности в зимний сезон - ветер юго-западный (ЮЗ). Роза ветров для данного примера графически изображена на фиг.3. Таким образом, выбранный маршрут пробоотбора для данного примера - в направлении на северо-восток (СВ) от одиночной высокой трубы (точечный источник). Пылевые и аэрозольные выбросы из трубы сорбируются снежным покровом и анализ концентраций проводился для образцов снега. Других крупных источников загрязнений вокруг завода нет.
На фиг 2. изображены изолинии 3 для поля концентрация выпадений бензапирена (в единицах нг/л) в окрестностях Новосибирского электродного завода, при этом мониторинг выпадений в зимний период проводился по данному способу. А первичные данные визуализировались с помощью программного обеспечения «WindRoseGrid» (правообладатель программы - Новосибирский государственный университет, программа имеет гос.регистрацию программ для ЭВМ №2011610146 от 11.01.2011).
Стрелка 2 на фиг.З отображает вектор доминирующего ветра (СВ) в направлении от источника загрязнений 1, и на маршруте проводился пробоотбор образцов снежного покрова с целью анализа загрязнений местности аэрозольно-пылевыми выбросами. Источник загрязнений расположен на равнинной местности. Выброс смолистых веществ, включающих бензапирен и другие полиароматические углеводороды, формируется в основном в цехе обжига графита и осуществляется через одиночную 180-метровую трубу. Снег в окрестностях завода, благодаря большой удельной поверхности снежинок, является идеальной природной средой, которая способна поглощать и удерживать в зимний период большое количество примесей-загрязнителей. Это позволяет получить картину выпадения аэрозольно-пылевых загрязнителей с накоплением за несколько зимних месяцев.
Источники информации
1. Безуглая Э.Ю. К определению потенциала загрязнения воздуха. Труды ГГО, 1968, вып. 234.
2. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Издательство: Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 272 с.
3. Василенко В.Н, Назаров И.М., Фридман Ш.Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1985.
4. Рапута В.Ф., Садовский А.П., Олькин С.Е. Модель длительного аэрозольного загрязнения местности // Оптика атмосферы и океана, 1997. - Т.10, №6. - С.616 -622.
5. Рапута В.Ф., Олькин С.Е., Резникова И.К. Модель оценивания выпадений бензопирена в окрестностях Новосибирского электродного завода// Оптика атмосферы и океана, 2009. - Т.22, №6. - С.601-604.