Моделирование распределения примесей в атмосфере (на примере Удмуртской республики)

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2009. Вып. 1

Региональные экологические проблемы

УДК 530

В.М. Габдуллин, А.В. Семакина, М.Е. Шкляев

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРЕ

При активной циркуляции атмосферы уровень загрязнения определяется эмиссией загрязняющих веществ как из близлежащих источников, так и из удаленных. Таким образом, при картировании уровня загрязнения атмосферы Удмуртии учитывались выбросы с территории республики и близлежащих городов соседних регионов. При этом в рамках регионального подхода в качестве источника загрязнения принимались целые города либо районные центры. Для решения поставленной задачи была использована методика, разработанная В.А. Петрухиным и В.А. Вишенским. Данная методика позволяет рассчитать средние значения концентраций загрязняющих веществ по слою перемешивания.

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

Характеристика источников загрязнения

Согласно официально опубликованным данным, суммарное количество выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в Удмуртской Республике по состоянию на 2005 г. составило 267,654 тыс.т. Из них на долю передвижных источников (государственный и коммерческий автотранспорт) приходится в среднем 35%. При этом в городах доля данного источника составляет около 70%. В сельской местности преобладание в структуре выбросов передвижных источников отмечается в Алнашском, Киясовском, Селтинском, Граховском и Игринском р-нах. Везде, за исключением Игринского р-на, выбросы связаны с работой сельхозтехники.

При рассмотрении пространственной структуры выбросов можно отметить тяготение основных объемов выбросов к центральной и юго-восточной части территории республики, где сосредоточен в основном промышленный потенциал. Так, преобладающая доля суммарных выбросов ЗВ приходится на г.Ижевск, г.Глазов, г.Можгу и Можгинский р-н, а также Шарканский, Вот-кинский, Якшур-Бодьинский, Увинский, Малопургинский, Сарапульский и Каракулинский р-ны.

В ходе анализа покомпонентной структуры выбросов была составлена карта выбросов от стационарных источников на территории УР (рис. 1). Поскольку объемы выбросов различных ЗВ сильно различаются, для большей наглядности карты были использованы приведенные к диоксиду серы выбросы.

Компонентная структура выбросов в территориальном аспекте характеризуется значительной изменчивостью. Условно можно выделить несколько групп районов, отличающихся разной экономической специализацией. В первой группе основную долю выбросов от стационарных источников представляют оксид углерода и углеводороды без учета летучих органических

2009. Вып. 1 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

соединений (ЛОС). Основными источниками выбросов углеводородов в данной группе являются предприятия обслуживающие газо- и нефтепроводы. Исключение составляет Малопургинский р-н, где значительные выбросы углеводородов связаны с функционированием предприятий, обслуживающих железнодорожные пути. В соседнем Пермском крае преобладающую долю в выбросах углеводородов без ЛОС от такого рода источников составляет метан [3]. Таким образом, значительные выбросы метана наблюдаются на территории Воткинского, Шарканского, Можгинского, Увинского и Сарапуль-ского р-нов. Выбросы летучих органических соединений связаны с работой предприятий нефтедобычи, что отмечается на территории Шарканского, Иг-ринского, Завьяловского, Якшур-Бодьинского, Кезского, Камбарского и Ка-ракулинского р-нов.

Преобладание в структуре выбросов твердых веществ, сернистого ангидрида, оксида углерода характерно для районов, где ведущей отраслью является сельское хозяйство. К данной группе районов относятся Киясовский, Алнашский, Граховский, Кизнерский, Вавожский, Сюмсинский, Селтинский.

К третьей группе относятся районы, где структура выбросов наиболее разнообразна и представлена такими веществами, как твердые вещества, диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота и углеводороды. Это Глазовский, Балезинский, Камбарский р-ны. В целом небольшие объемы выбросов связаны с разнообразными типами источников, среди которых ведущее место занимают предприятия ЖКХ и сельского хозяйства. К данной группе можно отнести и города республики, характеризующиеся высоким разнообразием источников и как следствие разнообразной структурой выбросов.

Очистка выбросов

По степени очистки выбросов от стационарных источников ведущее место занимают города, а также промышленно развитые районы (рис. 1). Исключение составляет г.Ижевск, где ситуация с недостаточной очисткой выбросов от стационарных источников (28%) усугубляется значительным объемом выбросов (21,634 тыс.т/год). Высокий процент очистки (более 50%) характерен для районов, занимающихся нефтедобычей, обслуживанием газо- и нефтепроводов. К ним относятся Шарканский, Игринский, Воткинский, Як-шур-Бодьинский, Можгинский, Увинский, Завьяловский р-ны. На территории остальных, преимущественно сельскохозяйственных районов недостаточные объемы очистки сочетаются с небольшими выбросами. Неприятное исключение составляют Сарапульский и Каракулинский р-ны, где значительные (22,13 и 11,5 тыс.т/год соответственно) выбросы, преимущественно от объектов нефтедобычи, на фоне почти полного отсутствия очистки могут способствовать формированию сложной ситуации в отношении состояния атмосферного воздуха.

Выбросы от междугородних транспортных магистралей

Междугородняя транспортная сеть вносит значительный вклад в загрязнение атмосферного воздуха близлежащих территорий. В то же время данный источник не учитывается при составлении стандартных отчетов о состоянии окружающей среды региона. Это связано с рядом его особенностей: значительная пространственная и временная изменчивость транспортного потока, узкая линейная локализация, сложность юридического определения

Рис. 1. Покомпонентная структура выбросов от стационарных источников на территории УР

ответственности за выбросы. Все это приводит к тому, что при характеристике атмосферного загрязнения региона данный источник остается неучтенным. На основе полученных экспериментальным путем данных об интенсивности транспортного потока был проведен расчет выбросов и рассеяния ЗВ от дорог республики с наиболее напряженным движением. Для расчета эмиссий конкретных загрязняющих веществ используется распределение выбросов от автотранспорта: СО - 17,5%, N0,, - 15,1%, углеводородов - 61,5%. Для решения данной задачи был применен методический подход, предложенный Министерством транспорта РФ в «Рекомендациях по учету требований по охране окружающей среды при проектировании автодорог и мостовых переходов» [4]. В дальнейшем полученные концентрации были использованы для расчета добавочных значений ИЗА. Как и следовало ожидать, полученные значения загрязнения атмосферы, формируемого выбросами автомагистралей, невелики и сводятся к минимуму при удалении от него более чем на 100 м. Однако данный источник способен оказать свое влияние на итоговые значения при расчете суммарных значений ИЗА для территории республики. В целом наибольший уровень воздействия характерен для участков дорог в непосредственной близости от Ижевска, и при удалении от центра республики к периферии интенсивность воздействия снижается (рис. 2). В то же время автомагистрали республики имеют не только местное значение. Так, участок Алнаши-Ижевск-Дебессы является звеном федеральной автодороги М7 «Волга», с чем связана повышенная интенсивность транспортного потока на этом участке и соответственно увеличение объемов выбросов.

Моделирование загрязнения атмосферы

Существует большое число практических и теоретических задач, касающихся переноса атмосферных примесей над областью со сложной нерегулярной структурой. К таким задачам относятся, например, проблемы распространения примесей в условиях городских застроек, вопросы моделирования микроклимата и т.д. Существующая сеть измерений обычно очень редка, и полученные таким образом данные не всегда представительны для местности со сложной структурой атмосферной циркуляции. В этой связи полезным инструментом для получения недостающей информации являются математические модели атмосферных процессов [1]. Полученные по этим моделям метеорологические поля служат фоном для расчета адвекции и диффузии частиц.

Концентрация ЗВ в атмосфере постоянно меняется в пространстве и во времени, так как атмосфера постоянно находится в движении, и в ней происходят процессы, способствующие ее загрязнению либо самоочищению. Примеси могут переноситься как упорядоченными, так и турбулентными горизонтальными и вертикальными потоками, подвергаться захвату каплями облаков и туманов, вымываться вместе с осадками.

Уравнение переноса в турбулентной атмосфере имеет вид [2]

Эq ( Эq Эq Ö Эq ( Э2 q Э2 q Э , Эq q

— = - и — + V— -w — + ks f + f +— k„^~- —, Эt I Эх Эи I Эz Эх Эу

2

у

Эz z Эz t

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2009. Вып. 1

где q - масса примеси в единичной массе воздуха (массовая концентрация), и, V, w - проекции скорости движения частицы на оси х, у, ъ прямоугольной

системы координат, 3# - локальная производная от q по времени t, характе-

эt

ризующая изменения q во времени в неподвижной точке пространства, кг -вертикальный коэффициент турбулентности, т - параметр (время жизни частицы).

lifintmii joHEV'iiiiirii IMA:

ou .. ik'L' 0^4

от М д& 0, 4

хірим-0,3

Рис. 2. Загрязнение атмосферного воздуха, формируемое выбросами от междугородних автомагистралей

В приземном слое величина кг всегда растет с высотой и в зависимости от скорости ветра, термической стратификации и шероховатости земной поверхности изменяется в широких пределах (от 10—1 до 10 м2/с). Для горизонтального коэффициента турбулентного обмена известен лишь порядок величины (102 — 104)м2/с для мезомасштабных движений размером по горизонтали в несколько десятков километров ( к6, ).

Одномерная модель распространения загрязняющих веществ в среде. Уравнение распространения загрязняющего вещества в сплошной среде выводится из тех же законов физики, что и уравнение диффузии. Однако в них дополнительно учитывается наличие источника загрязняющего вещества (в этом принципиальное отличие модели загрязнений от модели диффузии). Источник описывается некоторой функцией, аргументами которой являются координаты и время. В данной модели рассматривается одномерный вариант распространения загрязнений, соответственно и функция источника загрязнений зависит от одной координаты х.

Существенным отличием данной модели от простейшей является учет вектора скорости движения среды. В результате учета перечисленных особенностей получаем следующее уравнение распространения загрязняющего вещества от некоторого источника вдоль прямой:

дС ^ ЛЧ д2С ,( Ч

— + ёгу(С • и )= т + / (х, і), ді дх

где С (х, і) - концентрация загрязняющего вещества; и - вектор скорости движения среды; / (х, і) - функция источника загрязнения.

Решая это уравнение, мы можем находить вид функции концентрации загрязняющего вещества в зависимости от источника и скорости движения среды.

В большинстве практически интересных случаев решение данного уравнения может быть найдено только приближенно, с помощью метода конечных разностей.

Расчет среднегодовых концентраций ЗВ. Решение задачи расчета среднегодовых концентраций сводится к интегрированию всех возможных концентраций загрязняющих веществ в заданной точке пространства (х, у), которые могут возникнуть в течение года с учетом вероятности реализации определенного из шести характерных классов устойчивости атмосферы при заданной скорости ветра. Поскольку предполагается, что в пределах сектора М-румбовой розы ветров направление ветра распределено равномерно, то среднегодовая концентрация С(х,у) может быть рассчитана по формуле [5]

с (х, y ) = с (r,q ) = £ р х

I=1

І

k=1 2 Xyj 2 х p х U1a Z

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2009. Вып. 1

где Q- мощность источника (кг/с), Pvl - вероятность реализации ветра со скоростью и в соответствующем секторе М-румбовой схемы, Pk (V) - вероятность реализации определенного класса устойчивости атмосферы при ветре и (А - 1, В - 2,..,Б - 6), 0- направление ветра в полярных координатах, г -расстояние от источника загрязнения до точки (х,у), О- характеристика дисперсии по вертикали, f (А, H, ОZ) - функция влияния высоты источника загрязнения (Н) и высоты слоя перемешивания (А), 2 X ж /M - угловая доля сектора в М-румбовой схеме ветров; у(х / и)= у^) - функция изменения концентрации по оси шлейфа за счет фотохимических реакций, сухого и влажного осаждения и т.п. во времени.

Для случая простой Гауссовой модели дисперсии невзаимодействующего вещества

у(х / и )= у( ) =1 ,

f (A, H, a z ) = 2 х exp(- H /(2 x a2)) .

В ходе численной реализации моделей ограничение на счетное время, а также высокие требования к точности получаемого результата, приводящие к решению систем с десятками миллионов неизвестных, диктуют необходимость использования высокопроизводительных вычислительных систем.

В качестве математической модели исследуемых процессов рассматривается транспортно-диффузионное уравнение распространения примесей в ветровом поле над местностью со сложным рельефом. Решается трехмерная начально-краевая задача распределения радиоактивных примесей в атмосфере. Учитываются граничные условия на боковой, нижней границах и начальные условия:

— + - &\(К%гаЗс) + гс = Q,

Эt

с(х, у, 2,0 ) = с0 (х, у, г),

Эс Э Эс

•с + Ь“• ЭП " у"= ЭгК: Э ~

где с — концентрация вещества, К - коэффициент горизонтальной турбулентной диффузии, К2 - коэффициент вертикальной турбулентной диффузии, w - поле скоростей, Q - поле эмиссии, г - суммарный коэффициент, характеризующий интенсивность физико-химических процессов: сухого поглощения, влажного осаждения, химических превращений, радиоактивного распада и т. п.

Создаваемая модель состоит из двух частей, одна из которых описывает динамику атмосферы, а вторая - непосредственное распределение концентраций примесей при уже определенном поле скоростей [5].

В данной работе для характеристики среднегодового загрязнения была использована простая модель распределения средних значений концентраций наиболее распространенных загрязняющих веществ по слою перемешивания В. А. Петрухина и В. А. Вишенского [6], в которой учитывались данные о выбросах этих веществ внутри региона и по крупным городам на расстоянии до 100 км от территории Удмуртии, скорости и повторяемости ветров различных направлений, продолжительности присутствия отдельных примесей в атмосфере. Несложная формула позволяет рассчитывать средние значения концентраций по слою перемешивания:

повторяемость направления переноса в ьм секторе (в долях единицы), 0 -мощность источника загрязнения (тыс. т/год), Я - 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).

Характеристика уровня загрязнения

При активной циркуляции атмосферы уровень загрязнения определяется эмиссией ЗВ как из близлежащих источников, так и из удаленных. Таким образом, при картировании уровня атмосферного загрязнения Удмуртии учитывались выбросы на территории республики и близлежащих городов. При этом в рамках регионального подхода в качестве источника загрязнения принимались целые города либо районные центры. Для решения поставленной задачи была использована методика, разработанная В.А. Петрухиным и В.А.Вишенским [6]. Данная методика позволяет рассчитать средние значения концентраций ЗВ по слою перемешивания.

Согласно изложенной методике была создана программа, позволяющая производить расчет полей концентраций и построение цифровых карт распределения ЗВ в атмосфере. В результате расчета были получены цифровые карты распределения по территории УР твердых частиц, углеводородов, сернистого ангидрида, оксида углерода и оксидов азота. При построении модели распределения в атмосфере группы углеводородов без учета ЛОС в качестве основного компонента был принят метан. От построения модели распределения ЛОС по слою перемешивания мы отказались, так как их дальнейшее использование в расчете ИЗА невозможно (в связи с различными значениями ПДК и классов опасности у представителей этой группы ЗВ). Отказ от учета выбросов ЛОС не приведет к большим отклонениям в значениях ИЗА, так как их доля в суммарных выбросах в целом не превышает нескольких процентов. На основании полученных моделей был создан цифровой вариант распределения значений ИЗА на территории УР с учетом выбросов от междугородних автомагистралей (рис. 3).

где С - средняя концентрация вещества (мг/м3) в слое перемешивания, ?!

Согласно изложенным материалам расчетные характеристики фонового загрязнения в пределах республики в целом не превышают 1, за исключением территорий центральной и юго-западной части республики. Необходимо отметить, что в формировании загрязнения в большей мере участвуют местные источники, накладывающиеся на региональный фон, связанный в основном с переносом ЗВ с территории Пермской области. Отдельно можно выделить ареалы со значениями ИЗА более 5. Это территории близлежащие к гг. Ижевск, Сарапул, Чайковский. Формирование атмогеохимической аномалии в районе г.Ижевска связано с значительными и разнообразными по компонентному составу выбросами, характерными для данного населенного пункта (рис. 1). В то же время другие две аномалии связаны в первую очередь с выбросами таких ЗВ, как углеводороды, без учета ЛОС.

ЗН4Ч*И1Й НІЛ., ст§а|і\ицюииїга™ яыйргкэлж

«Т < 1Л .Ц.ЦС 11ГЧМІІІГ.ІШ .

С ЧІЛ

EftS. I

И

Йл« !Л

Рис. 3. Распределение значений ИЗА по территории УР

2009. Вып. 1 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ведение в геоэкологию атмосферы: учеб. пособие / Ю.П. Переведенцев, Р.Х. Салахова. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2007. 112 с.

2. Владимиров А.М., Ляхин М.Е., Матвеев Л.Т, Орлов В.Г. Охрана окружающей среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 423с.

3. Состояние и охрана окружающей среды Пермской области в 2003 году / Управление по охране окружающей среды Пермской области. Пермь, 2004. 12 c.

4. Рекомендации по учету требований по охране окружающей среды при проектировании автодорог и мостовых переходов. М., 1995. 7 с.

5. Швыряев А.А., Меньшиков В.В. Оценка риска от систематического загрязнения атмосферы в исследуемом регионе: метод. указ. к задаче практикума. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002. 41 с.

6. Petrnkhin V.A., Vishensky V.A. Modeling and evolution of Eurasian Tropospheric background pollution based on the date bank of multi-year measurements // Changing composition of the troposphere. Spatial Environment. Rep. 1989. №17. P. 83-86.

Поступила в редакцию 02.02.09

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

Modeling Impurity Distribution in the Atmosphere

When the atmosphere circulation is intense the pollution level is determined by pollutants emission both from nearby and distant sources. Thus, when mapping the atmospheric pollution level in Udmurtia, emissions both from the territory of the republic and nearby cities of the neighbouring republics were taken into account. Moreover, either whole cities or district centres were taken as the source of pollution within the regional approach. 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 pollutants concentration for a homogeneous layer.

Г абдуллин Василь Миннахметович, кандидат географических наук, доцент Семакина Алсу Валерьевна, аспирант Шкляев Михаил Евгеньевич, студент

ГОУ ВПО «Удмуртский государственный университет»

426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 E-mail: vmg@udsu.ru