СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СЕТИ ПОСТОВ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ГОРОДА
METHOD FOR BUILDING A NETWORK OF STATIONS FOR ENVIRONMENTAL MONITORING OF AIR IN A CITY

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано при формировании пространственной структуры размещения постов натурных замеров концентраций примесей в воздухе и последующего определения уровня химического загрязнения атмосферы при осуществлении процедур экологической паспортизации, экспертизе, инвестиционном проектировании, разработке природоохранных мероприятий, определении вероятных виновников опасного загрязнения атмосферы, при решении хозяйственных споров, информировании населения, а также для прогнозирования или для оценки общей экологической ситуации.
Известен «Способ контроля за выбросами загрязняющих веществ источниками загрязнения атмосферы» (Патент РФ №2161321, МПК G01W 1/00, опубл. 27.12.2000).
Суть данного способа заключается в том, что при выборе пункта контроля задействуют алгоритм взаимосвязи между величиной массового выброса веществ и уровнем концентрации в пункте контроля при текущих метеоусловиях. По результатам расчетов ранжируют все источники загрязнения атмосферы по уровню их вклада в загрязнение ее приземного слоя на каждом пункте контроля, включая в число загрязнителей те источники, суммарный вклад которых составляет не менее 80% от суммарного расчетного загрязнения на каждом посту контроля. Далее сравнивают рассчитанные значения концентраций вредных веществ от основных источников с натурными замерами этих концентраций по минимуму критерия качества, например, суммы среднеквадратичных отклонений расчетных от замеренных значений. Во всех пунктах контроля определяют взаимосвязь между величиной массового выброса загрязняющего вещества, отходящего от конкретного стационарного источника загрязнения, и уровнем концентрации этого вещества в пункте контроля. В случае превышения уровня максимально-санкционированного массового выброса на величину не менее 10% осуществляют экстренные замеры.
Недостатками известного способа являются:
- критерий «не менее 10% превышения максимально-санкционированного уровня» не корректен, так как за пределами территории промышленной площадки, а именно за границей санитарно-защитной зоны предприятия, абсолютно недопустимо любое превышение объемов нормативно-санкционированного выброса.
- невысокая точность, надежность и объективность способа, обусловленная предпочтением эпизодических и несистемных текущих замеров концентраций веществ. Точка, где зарегистрированы разовые или краткосрочные высокие или пиковые концентрации загрязняющих веществ, может не совпадать с точкой, где имеет место высокая долгосрочная средняя концентрация, которую следует рассматривать как потенциальный пост контроля;
- не определяются приоритетные загрязняющие вещества и стационарные источники их выброса и не обеспечивается рационализация построения сети постов мониторинга и повышается затратность способа, т.к. контролю подвержены все загрязняющие вещества и все источники, которые удовлетворяют заданным в способе условиям.
Известен «Способ экологического мониторинга химически опасных объектов» (Патент РФ №2385473, МГЖ G01N 33/00, опубл. 27.03.2010). Суть способа заключается в том, что постоянные посты контроля устанавливают «треугольником» в количестве трех единиц, а с подветренной стороны относительно центра «треугольника», образованного постоянными постами контроля, устанавливают подфакельный пост, который перемещают на основании данных, поступающих с метеорологических датчиков, по внутреннему (внешнему) условному контуру «треугольника» в сторону изменившегося направления ветра.
Недостатками известного способа являются:
- способ не является универсальным, не отличается высокой объективностью, потому что размеры участка «треугольника», как зоны расположения постов контроля, определяют исходя из допущения нестандартного режима работы предприятия (источника) или аварийной ситуации;
- невысокая точность контроля концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе города в виду недостаточно полного учета факторов, определяющих формирование зоны активного загрязнения;
- в способе не конкретизируются критерии выбора контролируемых (приоритетных) источников, а передвижной пост дублирует функции стационарных постов, что повышает затратность способа.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу, выбранным в качестве прототипа, является «Способ построения сети постов мониторинга загрязнения атмосферы и определения характеристик источников ее загрязнения» (Патент РФ №2397514, МПК G01W 1/02, опубл. 20.08.2010).
Суть способа заключается в том, что устанавливают границы исследуемой территории, развертывают на исследуемой территории автоматизированную систему мониторинга с программно-математическим обеспечением. Перед началом измерений в центральном компьютере визуально создают трехмерную координатную сетку исследуемой территории. В нее вводят данные об исследуемой территории для построения оптимальной сети постов мониторинга. Запускают блок программ (БП1) для построения оптимальной сети постов мониторинга. Решают "прямые" задачи для каждого известного источника загрязнения из области влияния этого источника. Определяют все теоретически возможные сочетания троек постов мониторинга, которые позволяют решить обратную задачу по поиску каждого из возможных источников загрязнения. Ранжируют такие тройки постов по числу повторений их для всех источников загрязнения и всех рассматриваемых метеорологических ситуаций. Принимают решение об оптимальной расстановке постов мониторинга в местах, представленных блоком программ БП1. Если теоретические данные отличаются от измеренных значений на величину, не превосходящую заранее заданную, расставляют оптимальную сеть постов мониторинга на местности. Запускают блок программ (БП2) для решения «обратной» задачи определения координат и мощности скрытых источников загрязнений. Проводят измерения в непрерывном режиме метеорологических параметров и концентрации загрязнений. Вводят данные измерений в указанный БП2, где определяют характеристики искомого скрытого источника. Технический результат: оптимизация сети постов мониторинга и определение характеристик скрытых источников ее загрязнения.
Недостатками прототипа являются:
- не определяются приоритетные вещества и источники их выброса, что увеличивает трудоемкость процесса экологического мониторинга;
- не обеспечивается рационализация построения сети постов мониторинга по причине отсутствия четкого критерия выбора участков для размещения «троек постов наблюдений» и «выносных постов наблюдений», а также обоснованного приема формализации оценки границ зоны загрязнения, формируемой под влиянием конкретного источника;
- не учтены влияние застройки и ландшафтного озеленения урбанизированной территории как макрофакторов, определяющих местные особенности распределения загрязняющих веществ в атмосфере при заданной взаимной пространственной координации источников, находящихся на независимых промышленных площадках.
Задачей заявляемого способа является создание оптимальной сети постов мониторинга загрязнения атмосферы городов.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение точности получаемой информации о концентрации загрязняющих веществ в атмосфере путем повышения надежности определения местоположения постов экологического мониторинга атмосферного воздуха городов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе построения сети постов экологического мониторинга загрязнения атмосферы города, заключающемся в установлении границ исследуемой территории, развертывании и функционировании на ней системы мониторинга загрязнения атмосферы, осуществляющей текущие измерения уровня загрязнения воздушного бассейна города с учетом метеоусловий, использовании данных об источниках загрязнения, находящихся на исследуемой территории, составлении базы данных по максимальным приземным концентрациям загрязняющих веществ и анализе получаемой информации, причем после установления границ исследуемой территории определяют критерий оценки сверхнормативно загрязненных территорий для размещения постов экологического мониторинга для чего используют величину площадей зон активного загрязнения от источников выброса загрязняющих веществ, отвечающих условию: , устанавливают места их наложения, на которых располагают посты экологического мониторинга, отбирают пробы атмосферного воздуха, определяют концентрацию i-го приоритетного загрязняющего вещества, выбрасываемого из k-го источника, а расчет среднегодовой величины  проводят по формуле:
где:  - откорректированная величина среднегодовой площади зоны активного загрязнения;
- площадь промышленной площадки;
- расчетное значение площади зоны активного загрязнения атмосферы;
(В)
В - вероятность наступления ветра со скоростью 0,5-1,9 м/с (менее 2,0 м/с) при преобладании высоких холодных выбросов и 2,0-7,0 м/с для высоких нагретых выбросов, в долях;
(Ш)
В - вероятность наступления штиля, в долях;
(ОС)
В - вероятность осадков в течение года, в долях, причем для мегаполисов при прочих равных условиях пост экологического мониторинга размещать на территории, имеющей меньшую степень озеленения и/или многоэтажную застройку.
Технический результат достигается за счет введения критерия определения месторасположения и количества постов экологического мониторинга атмосферного воздуха города. Особо опасные участки, с возможным превышением нормативных концентраций загрязняющих веществ, формируются в местах наложения зон активного загрязнения (ЗАЗ), если они находятся за границами промышленных площадок предприятий. Выбор точек размещения постов мониторинга производится с учетом реального соотношения площадей ЗАЗ и промышленной площадки для приоритетных источников и веществ с учетом комплекса факторов, влияющих на рассеивание.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на:
- фиг. 1 представлен вариант, где размер ЗАЗ больше размера промплощадки , поэтому зона экологического риска выходит за территорию промплощадки. Пост контроля размещают на границе ЗАЗ с учетом неблагоприятных условий рассеивания;
- на фиг. 2 - территории ЗАЗ от приоритетных источников, расположенных на разных промплощадках, взаимно перекрываются. При размещении постов мониторинга предпочтение отдается участкам с максимальным числом наложений ЗАЗ;
- на фиг. 3 - территория ЗАЗ от источника, расположенного на одной промплощадке, «попадает» на территорию другого предприятия. Мониторинг проводится по согласованию интересов предприятий;
- на фиг. 4 представлена схема размещения постов экологического мониторинга в местах наложения ЗАЗ от источников предприятий г.Георгиевска Ставропольского края и введены следующие обозначения:
№1… - номер промышленного предприятия;
- источник выброса загрязняющих веществ;
- территория промышленной площадки предприятия;
- граница СЗЗ;
О - площадь ЗАЗ.
1 - котельная №24;
2 - котельная ОАО «Хлебокомбинат «Георгиевский»;
3 - котельная ОАО «Масло Ставрополья»;
4 - котельная ОАО «Винзавод «Надежда»;
5 - котельная ООО «Бригантина»;
6 - котельная №12;
7 - котельная №6;
8 - котельная №13;
9 - котельная №2;
10 - котельная №9;
11 - котельная №19.
Заявляемый способ осуществляется поэтапно следующим образом.
Предварительно знакомятся с генеральным планом города, чтобы учесть размещение крупных промышленных объектов (источников выбросов), транспортных маршрутов, селитебных районов. Систематизируют общую информацию о населенном пункте: статус территории, особенности застройки и рельефа местности; перспективы развития жилой застройки и расширения предприятий промышленности; ландшафт, уровень озеленения и состояние древесно-кустарниковой растительности (возраст, состояние и пр.); численность и плотность населения; метеорологические условия. Отдельно анализируют данные о ветровом режиме, штиле, атмосферных осадках, плотности озеленения и характере застройки территории города, как показано в рассмотренном ниже примере (таблица 1).
Далее обобщают данные инвентаризации источников выбросов (по проектам ПДВ предприятий), изучают технологические регламенты, состав и интенсивность выбросов, техническое состояние газоочистного оборудовании и др. По известным методикам определяют категории санитарной опасности предприятий и источников, приоритетные вещества и комбинации «источник-вещество» [1].
Площадь ЗАЗ с учетом климатических факторов определяется по формуле:
где:  - откорректированный среднегодовой размер ЗАЗ веществом выбрасываемым из источника «к»;
(В)
(Ш)
(ОС)
- В, В, В - вероятность наступления ветра со скоростью более 1,7 м/с, штиля и осадков в течение года;
-  - площадь зоны активного загрязнения.
Определив для всех приоритетных комбинаций «источник-вещество» площади ЗАЗ, их наносят на ситуационную карту района расположения предприятия, как показано на фиг. 1-3, выбирают варианты, когда , т.е. площадь ЗАЗ больше площади промплощадки предприятия . На базе выполненных расчетов проводится рекогносцировка - уточнение пространственного распределения и перекрывания площадей ЗАЗ на плане-карте города. С учетом застройки и плотности озеленения выбираются и ранжируются участки городской территории, где происходит максимальное сопряжение или перекрывание площадей ЗАЗ за пределами конкретных промплощадок (фиг. 4). Именно в этих районах возможно формирование максимальных приземных концентраций загрязняющих веществ, превышающих значения ПДК, и следовательно целесообразно размещение постов мониторинга. В этих местах отбираются пробы воздуха, выполняются анализы и затем составляется карта загрязнений городской атмосферы.
Таким образом, формируется сеть постов экологического мониторинга атмосферного воздуха города.
2
Пример определения месторасположения постов экологического мониторинга атмосферного воздуха. Апробация способа проведена в условиях города Георгиевска Ставропольского края, площадь территории 2,5 тыс.га (24710 км). Расчеты выполнены для семи наиболее крупных постоянно функционирующих промышленных предприятий, уровень загрузки мощности которых составлял не менее 70% в течение последних пяти лет. Допускалось, что фоновая концентрация примесей (Сф) в городе равна нулю. Расчеты выполнены по 176 источникам загрязнения.
Проводят усреднение метеоклиматических условий города (таблица 1).
Для выбора приоритетных загрязняющих веществ и источников уточняют категории опасности источников с учетом сочетания «источник-вещество» по факторам Ф и Q [1]. Результаты расчетов по всем источникам обобщены в таблице 2. В связи с громоздкостью расчеты не приводятся. В зависимости от категории источников определяется график контроля выбросов.
На промышленных предприятиях города присутствуют источники всех категорий, в том числе некоторые из них одновременно относятся к нескольким категориям с учетом природы веществ (например, источник 0004 на хлебокомбинате). Практически половина источников принадлежат к III категории, что означает обязательность контроля не менее одного раза в год. Далее по нормативным документам проведено определение приоритетности загрязняющих веществ.
Основными приоритетными примесями являются: по ОАО «Мукомол» - пыли зерновая и мучная; по ОАО «Масло Ставрополья» - диоксид азота, пыль зерновая, бензин «Нефрас»; по ЗАО «Кожзавод «Георгиевский» - меховая, абразивная, древесная пыли, перхлорэтилен, формальдегид; по ГМУП «Теплосеть» и по ООО «Бригантина» - диоксид азота; по ОАО «Хлебокомбинат «Георгиевский» - уксусный альдегид.
Рассчитывают площадь ЗАЗ, устанавливают районы, где возможны наибольшие уровни загрязнения атмосферы в результате их взаимного наложения.
Расчетные значения площади ЗАЗ [2] приведены в таблице 3.
Пространственное расположение границ ЗАЗ по предприятиям следующее:
- ОАО «Мукомол». Все выбрасываемые из источников примеси локализуются в пределах промышленной площадки. В этом случае расположение постов экологического мониторинга находится в границах предприятия, так как ;
- ОАО «Хлебокомбинат «Георгиевский»; ЗАО «Кожзавод Георгиевский»; ООО «Бригантина»; ООО «Винзавод «Надежда»; ОАО «Масло Ставрополья». Площади ЗАЗ превышают площадь промышленных площадок только для выбросов из труб котельных (фиг. 4). Посты мониторинга 3 и 4 (фиг. 4) располагаются на участках максимального наложения ЗАЗ;
- ГМУП «Теплосеть». Площади ЗАЗ котельных 2, 11, 12, 13 выходят за пределы промышленных площадок, образуя участки загрязнения, которые интегрированы в спальные районы города. Зоны наложения ЗАЗ соответствуют расположению постов 1, 2 и 5 (фиг. 4)
Подробная характеристика климатических факторов (ветер, штиль, осадки), учитываемых при выборе постов, представлена в таблице 4.
По действующим нормативам [3, 4] для контроля загрязнений от промышленных источников с учетом экологического статуса территории Кавказские Минеральные Воды, в состав которых входит г. Георгиевск, число постов экологического мониторинга атмосферного воздуха может составлять не менее 8. Затраты на их функционирование составят 6400000 руб.
Как видно из таблицы 4, в г. Георгиевске достаточно 5-ти постов мониторинга атмосферного воздуха. Средние ежегодные затраты составят [5]:
- инженерное обустройство 1 поста - 450000 руб.
- текущее обслуживание 1 поста - 250000 руб.
- накладные расходы 1 поста - 100000 руб.
Итого для 5 постов: 4000000 руб.
Экономия составит 2400000 руб.
Для мегаполисов и крупных городов с численностью населения более 1 млн человек количество постов достигает 20, следовательно, возможна еще большая экономия средств.
Таким образом, атмосфера урбанизированной территории - это единое целое, и любая примесь, поступающая в атмосферу, в той или иной концентрации обнаруживается в любой части города. Предлагаемое изобретение может быть использовано при формировании пространственной структуры размещения постов экологического мониторинга для контроля концентраций вредных веществ в воздухе. По сравнению с прототипом достигнуто следующее: в качестве критерия выбора сверхнормативно загрязненных территорий для размещения на них постов экологического мониторинга используют величину площадей зон активного загрязнения от источников выброса загрязняющих веществ, отвечающих условию , устанавливают места их наложения, на которых располагают посты экологического мониторинга, отбирают пробы атмосферного воздуха, определяют концентрацию i-го приоритетного загрязняющего вещества, выбрасываемого из k-го источника. Это позволяет обеспечить точность получаемой информации о концентрации загрязняющих веществ в атмосфере путем повышения надежности определения местоположения постов экологического мониторинга атмосферного воздуха городов, а также исключить из объектов мониторинга источники, вносящие незначительный вклад в общее загрязнение воздушной среды города, и минимизировать число постов и, соответственно, сократить объем необходимых ресурсов.
Источники информации
1. Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух.- СПб.: НИИ Атмосфера, 2005. - 166 с.
2. Егоров А.Ф., Савицкая Т.В. Управление безопасностью химических производств на основе новых информационных технологий: Учеб. пособие для вузов. - М.: Химия, Колос, 2004. - 416 с.
3. Инструкция по инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. - Л.: ВНИИ охраны природы и заповедного дела, 1990. - 36 с.
4. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86, Госкомгидромет Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 36 с.
5. Типовая методика определения экономической эффективности и экономического стимулирования осуществления природоохранных мероприятий и экономической оценки ущерба от загрязнения окружающей среды. М.: ЦЭМИ, 1997. - 192 с.