О законах распределения величины PM10 в атмосфере г. Кабула

О законах распределения величины РМю в атмосфере г. Кабула

М. Х. Насими, Т. В. Соловьева, Д. К-С. Батаев, А. В. Недожогина Волгоградский государственный технический университет

Аннотация: В статье приводятся результаты проведенных зарубежными и российскими авторами исследований по оценке загрязнения городской воздушной среды мелкодисперсной пылью природного происхождения.

Ключевые слова: качество воздуха, пыль, мелкодисперсные частицы РМ10, природное происхождение, атмосфера.

Согласно документам Всемирной организации здравоохранения, пыль, содержащаяся в атмосферном воздухе, по степени своего вредного воздействия является одним из наиболее значимых факторов, который влияет на здоровье человека [1]. Общеизвестно, что наиболее распространенным веществом в земной коре является свободный кремнозем - диоксид кремния, который не связан химически ни с каким другим веществом. Он является одним из основных компонентов пыли, возникающей естественным и антропогенным путем. Бурение, измельчение, взрывы кремноземных пород влечет за собой образование большого количества взвешенной пыли, которая в свою очередь частично превращается в мелкую взвесь.

При этом разные горные породы имеют различное количество кремнозема, но не это определяет сколько обнаружится кремноземной пыли в пробе воздуха [2-7].

При оценке качества атмосферного воздуха используют концентрация взвешенных веществ. Особое внимание необходимо уделять концентрации мелкодисперсной пыли, с размерами частиц меньше 2,5 мкм (РМ2,5) и 10 мкм (РМю).

Рассмотрим в качестве примера город Кабул, как один из городов где в близи имеется горнодобывающая промышленность. В течение шести летних и осенних месяцев определилось максимальное суточное значение РМ10.

Измерения проводились прибором Air pointe. Известно, что максимальную суточную концентрацию пыли C(t) можно рассматривать как случайную функцию нормального стационарного процесса [8-13]. Для закона распределения максимальной суточной концентрации пыли PM10 в летние и осенние месяцы города Кабула были определены его вид и параметры. По виду гистограмм распределения (рис. 1), на основании анализа выборочных данных и оценок параметров распределения можно предположить, что имеет место нормальный или логнормальном законы для максимальной суточной концентрации пыли.

0 110 220 330 440 550 660 770 880 990 1100 -130 0 130 260 390 520 650 780 910 1040 1170

а б

Рис. 1. Гистограмма и теоретическая кривая распределения максимальной суточной концентрации пыли г. Кабул: а) летние месяцы; б) осенние месяцы

Проверка предположений о нормальном и логнормальном законах распределения осуществлялась с помощью критериев Хи-квадрат и Колмогорова-Смирнова при уровне значимости а = 0,05. Вся выборка была разбита на 10 групп. Результаты вычисленных статистик отображены в табл. 1.

Таблица № 1

Значения статистик по выборками величины РМ10 в атомсфере г.Кабула

Время Закон Значения статистик

года распределения Хи-квадрат Колмогорова-Смирнова

X В

Летние нормальный 60,61485 0,20256 1,645605

месяцы логнормальный 9,1588 0,09877 0,802411

Осенние нормальный 29, 3167 0,22885 1,845048

месяцы логнормальный 6,1655 0,11715 0,944493

По таблице критических точек Хи-квадрат по заданному уровню значимости а = 0,05 и числу степеней свободы к = 7 была найдена

х2 = 14,067 т

критическая точка Лкр .Так как для нормального закона в обоих

2 2

X > X "

случаях л Лкр, то гипотеза о нормальном законе максимальной суточной

концентрации пыли не согласуются с опытными данными. В то же время для

22

логарифмического нормального закона выполняется требование х Хкр, и, следовательно, этот закон согласуется с опытными данными.

Для применения критерия Колмогорова-Смирнова была вычислена

величина ^ = (табл. 1). По таблице критических точек Колмогорова

^ 1 /СО 0 0

определили критическое значение 0 = , . Так как < 0 только для

логнормального закона, то на уровне значимости а =0,05 гипотеза о логнормальном законе также согласуются с опытными данными. Следовательно, по обоим критериям логнормальный закон можно использовать для описания максимальной суточной концентрации пыли.

Таким образом, были определены функция плотности А(С) и интегральная функция Б(С) логнормального распределения для максимальной суточной концентрации пыли.

Для оценки зависимости РМ10 от трех факторов (скорости ветра, влажности и температуры воздуха) все исходные данные были приведены к нормированному виду. Были введены в рассмотрение следующие переменные: У| - концентрация взвешенных частиц РМ10; Х^ - скорость ветра; Х^ - влажность; Х3 - температура воздуха в _]-ый день. Нормирование осуществлялось по формулам:

у - у X - X0 тах{Хг] }+ тт{хг] } шк^ }- т|п{х„}

У] = ; х, = \ 10; х0 = ^-—^-; Ах, = ^-—^-,

Ау Ахг 2 2

где г = 1, 2, 3; ] = 1 ^ 65 .

Для каждого месяца исследовались линейная и квадратическая регрессия, т. е. уравнение регрессии рассчитывалось в двух видах:

у = Ь0 + х1 + Ь2 х2 + Ь3 х3 и

у = Ь0 + Ь1 х,2 + Ь2х2, + Ь3х32 + Ь4х1 х2 + Ь5х1 х3 + Ь6х2х3.

Уравнения регрессии были получены при следующих исходных данных (табл. 2).

Таблица № 2

Значения и интервалы измерения факторов

Факторы Средние значения факторов Интервалы изменения Ау и Ахг

летние осенние летние месяцы осенние

месяцы месяцы месяцы

У= РМю 550,5 522,5 450,5 486,5

Х1 3,5 3,5 3,5 3,5

Х2 23 39,5 18 33,5

Х3 32,5 17,5 4,5 12,5

Как показали результаты расчетов для июня и августа месяца на основе Б - критерия Фишера наиболее целесообразна квадратичная модель, а для остальных месяцев — линейная модель. При этом универсальную форму зависимости загрязнения РМ10 в атмосфере города Кабула от трех факторов:

скорости ветра, влажности и температуры воздуха получить одновременно для всех сезонных месяцев не удается, так как ни одна модель не дает хороший коэффициент корреляции. Однако для каждого месяца такие зависимости были получены и уравнения регрессии представлены в табл. 3.

Таблица № 3

Уравнения регрессии для РМ10

Месяц Уравнение регрессии Множествен ный коэффициент корреляции Я

Июнь у = -0,8979 + 0,1061*! х2 0,621

Июль у = -0,7167 + 0,0585х1 + 0,1497х2 - 0,0219х3 0,615

Август у = -0,4787 - 0,7569х? + 0,8442х22 - 0,2698х32 - 0,4763х2х3 0,614

Сентябрь у = -0,0578 х1 + 0,9470 х 2 + 0,1123 х3 0,98

Октябрь у = -0,3423 - 0,1340х1 + 0,6375х2 + 0,1565х3 0,75

Ноябрь у = 0,7810 х1 - 0,1922 х2 - 0,0097 х3 0,56

Выводы: Таким образом, можно утверждать, что распределение концентрации мелкодисперсной пыли в летние и осенние месяцы подчинено логарифмическому нормальному закону. Коэффициент корреляции для всех летних месяцев и ноября говорит о заметной тесноте связи, в сентябре и октябре — о высокой тесноте связи между РМ10, скоростью ветра, влажностью и температурой воздуха. При этом оказалось, что в июне и июле определяющими параметрами являются скорость ветра и влажность.

Литература

1. Azarov V.N., Koshkarev S.A, Azarov D.V. The decreasing dust emissions of aspiration schemes appling a fluidized granular particulate material bed separator at the building construction factories, Procedia Engineering, V. 165, 2016, pp. 1070-1079.

2. Azarov V.N., Lukanin D.V., Borovkov D.P., Redhwan A.M. Experimental study of secondary swirling flow influence on flows structure at separation chamber inlet of dust collector with counter swirling flows, International Review of Mechanical Engineering, Vol. 8 (Issue 5), 2014, pp. 851856.

3. Николенко Д.А., Соловьева Т.В., Анализ опыта мониторинга загрязнения мелкодисперсной пылью придорожных территорий в странах ЕС и России // Инженерный вестник Дона. 2015. №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3186.

4. Азаров В.Н., Тертишников И.В., Калюжина Е.А., Маринин Н.А. Об оценке концентрации мелкодисперсной пыли (РМ10 и РМ2,5) в воздушной среде // Вестник ВолгГАСУ, сер. Строительство и архитектура. 2011. №25 (44). С. 402-407.

5. Азаров В. Н., Маринин Н. А., Жоголева Д. А. Об оценке концентрации мелкодисперсной пыли (PM2,5 и PM10) в атмосфере городов // Известия Юго-Зап. гос. ун-та. 2011. № 5(38). Ч.2. С. 144-149.

6. Насими М.Х., Соловьева Т.В. О загрязнении мелкодисперсной пылью РМ10 атмосферного воздуха города Кабул // Инженерный вестник Дона, 2017, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4121

7. Azarov V.N., Borovkov D. P., Redhwan A. M. Application of swirling flows in aspiration systems, International Review of Mechanical Engineering, Vol. 8 (Issue 4), 2014, pp. 750-753.

8. Azarov V.N. [et al.], Main trends of dust conditions normalizing at cement manufacturing plants, International Review of Civil Engineering, 6(6), 2016, pp.145-150.

9. Monitoring of fine particulate air pollution as a factor in urban planning decisions / Azarov V.N., Barikaeva N.S., Solovyeva T. V. // Procedia Engineering. 2016. Т. 150. pp. 2001-2007.

10. Азаров В.Н., Барикаева Н.С., Николенко Д.А., Соловьева Т.В. Об исследовании загрязнения воздушной среды мелкодисперсной пылью с использованием аппарата случайных функций // Инженерный вестник Дона, 2015, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3350

11. Николенко Д.А., Насими М. Х., Барикаева Н.С. Сравнительный анализ загрязнения мелкодисперсной пылью атмосферы городов Волгограда и Кабула//Инженерный вестник Дона, 2017, № 4 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4487

12. Kyoyken M.P., Source deposits to PM2,5 and PM10 against the background of city and the adjacent street, Atmospheric environment, V. 71, 2013, рр. 26-35.

13. Barratt B., Carslaw D., Fuller G., Green D., Tremper A., Evaluation of the impact of dust suppressant application on ambient PM10 concentrations in London, King's College London, Environmental Research Group Prepared for Transport for London under contractto URS Infrastructure & Environment Ltd, November 2012, pp. 56.

References

1. Azarov V.N., Koshkarev S.A, Azarov D.V., Procedia Engineering, V. 165, 2016, pp. 1070-1079.

2. Azarov V.N., Lukanin D.V., Borovkov D.P., Redhwan A.M. International Review of Mechanical Engineering, Vol. 8 (Issue 5), 2014, pp. 851-856.

3. Nikolenko D.A., Solov'eva T.V., Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015. №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3186.

4. Azarov V.N., Tertishnikov I.V., Kaljuzhina E.A., Marinin N.A. Vestnik VolgGASU, ser. Stroitel'stvo i arhitektura. 2011. №25 (44). pp. 402-407.

5. Azarov V. N., Marinin N. A., Zhogoleva D. A. Izvestija Jugo-Zap. gos. un-ta. 2011. № 5(38). Ch.2. pp. 144-149.

6. Nasimi M.H., Solov'eva T.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4121

7. Azarov V.N., Borovkov D. P., Redhwan A. M. International Review of Mechanical Engineering, Vol. 8 (Issue 4), 2014, pp. 750-753.

8. Azarov V.N. [et al.]. International Review of Civil Engineering, 6(6), 2016, pp.145-150.

9. Azarov V.N., Barikaeva N.S., Solovyeva T. V. Procedia Engineering. 2016. T. 150. pp. 2001-2007.

10. Azarov V.N., Barikaeva N.S., Solovyeva T. V Procedia Engineering, V. 150, 2016, pp. 2001-2007.

11. Nikolenko D.A., Nasimi M. H., Barikaeva N.S. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, № 4. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4487

12. Kyoyken M.P. Atmospheric environment, V. 71, 2013, pp. 26-35.

13. Barratt B., Carslaw D., Fuller G., Green D., Tremper A., Evaluation of the impact of dust suppressant application on ambient PM10 concentrations in London, King's College London, Environmental Research Group Prepared for Transport for London under contractto URS Infrastructure & Environment Ltd, November 2012, pp. 56.