Оценка влияния комплекса метеопараметров на рассеивание выбросов от стационарных источников загрязнения на примере территории города Нижнекамска

УДК 504.3.054

И. Г. Григорьева, Ю. А. Тунакова, Р. А. Шагидуллина, В. С. Валиев, О. Н. Кузнецова

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОМПЛЕКСА МЕТЕОПАРАМЕТРОВ НА РАССЕИВАНИЕ ВЫБРОСОВ

ОТ СТАЦИОНАРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

НА ПРИМЕРЕ ТЕРРИТОРИИ ГОРОДА НИЖНЕКАМСКА

Ключевые слова: метеорологические параметры, рассеивание, атмосферный воздух, выбросы, стационарные источники

загрязнения.

Рассмотрены способы учета действия комплекса метеопараметров на рассеивание примесей, поступающих от стационарных источников загрязнения. Приведены результаты расчета метеорологического потенциала самоочищения атмосферы, определяющего рассеивание примесей для стационарных источников загрязнения Нижнекамского промышленного узла.

Keywords: meteorological parameters, dispersion, air emissions, stationary sources of pollution.

The methods of accounting activities of the complex meteorological parameters on the dispersion of contaminants coming from stationary sources of pollution. The results of the calculation of the meteorological capacities of self-purification of the atmosphere, which determines the dispersion of contaminants for stationary sources of pollution of the Nizhnekamsk industrial - node.

Известно, что поступление примесей в атмосферный воздух от промышленных стационарных источников загрязнения определяется техногенными параметрами выбросов, а их рассеивание, накопление и трансформация определяются физико-географическими условиями местности и изменчивостью ряда

метеорологических параметров. Причем, если первые два фактора имеют относительно небольшую изменчивость, то метеорологические параметры подвержены большей изменчивости, как во времени, так и в пространстве, обеспечивая условия переноса, трансформации, накопления и рассеяния загрязняющих веществ [1-3].

В настоящее время установлено, что зависимость между концентрациями загрязняющих веществ, поступающих от промышленных источников, и метеорологическими параметрами во многих городах имеет схожий характер. Поэтому можно выделить наиболее типичные зависимости уровня загрязнения воздуха от основных метеорологических параметров: направление и скорость ветра, термическая устойчивость атмосферы, и связанная с ней степень вертикального перемешивания примесей, термическое состояние воздушной массы, от которого зависит начальный подъем выбросов, вымывание примесей осадками, их аккумуляция в туманах.

Загрязнение атмосферного воздуха, может под влиянием метеорологических параметров одновременно изменяться на всей территории города. Однако возможны и локальные изменения уровня загрязнения атмосферного воздуха в отдельных районах, находящихся под влиянием конкретного стационарного источника загрязнения. И в том, и в другом случае на загрязнение воздуха оказывает сложное влияние целый ряд метеорологических факторов. Влияние комплекса метеопараметров значительно затрудняет расчет полей загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха [1,2].

При использовании в расчетах средних многолетних метеорологических параметров оцениваются климатические условия рассеивания примесей, при использовании метеорологических параметров за непродолжительное время (часы-несколько лет) оцениваются метеорологические условия рассеивания примесей на конкретной территории.

Наблюдения показывают, что даже при постоянных объемах и составах выбросов от стационарных источников загрязнения в результате влияния целого ряда метеорологических параметров уровни атмосферного воздуха могут различаться в несколько раз.

Поэтому снижение уровня загрязнения атмосферного воздуха должно осуществляться технологическими средствами с учетом характерных особенностей метеорологических условий на рассматриваемой территории.

В качестве экспериментальной площадки нами выбрана территория города Нижнекамска, являющаяся сосредоточением стационарных источников загрязнения с различными условиями выхода газовоздушной смеси из трубы и высокой динамичностью изменения метеорологических параметров.

При исследовании зависимости уровня загрязнения атмосферного воздуха от метеоусловий многие авторы делают вывод о целесообразности использования не отдельных метеорологических параметров, а формализованных характеристик, определяющих метеорологическую ситуацию на конкретной территории. Так, установлены метеорологические параметры, определяющие интенсивность рассеивания и аккумуляции атмосферных примесей: среднегодовая скорость ветра, средняя повторяемость штилей, количество дней с туманами, среднегодовое количество осадков.

В настоящее время для учета влияния данного комплекса метеорологических параметров

используются несколько показателей. По методике оценки самоочищающей способности атмосферы (ССА) [3-5], учитываются среднегодовая скорость ветра, повторяемость штилей и годовая сумма осадков. Эта методика достаточно проста в применении, но основным недостатком является учет ограниченного перечня метеопараметров.

По методике, разработанной в Главной геофизической обсерватории, рассчитывается потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА) в зависимости от повторяемости приземных инверсий температуры, малых (0-3 м/с) скоростей ветра, застоев воздуха, туманов [2].

К недостаткам использования ПЗА можно отнести, во-первых, учет только метеорологических параметров, характеризующих условия накопления примесей в приземном слое атмосферы. Во-вторых, для расчетов необходимо привлечение данных температурно-ветрого зондирования. Оно в Республике Татарстан проводится в крайне ограниченном объеме. В-третьих, получаемая величина ПЗА не имеет пространственно-временной дифференциации, что затрудняет ее использование для характеристики изменчивости влияния комплекса метеоусловий на рассеивание примесей.

Для оценки динамичности метеорологических параметров во времени используется климатический (метеорологический) потенциал самоочищения атмосферы (КПСА) [5] . В данной методике для каждого определенного интервала времени оценивается, какой процесс очищения атмосферы (число дней со скоростью ветра > 15 м/с и атмосферными осадками >5 мм) или накопления примесей (число дней с туманом, штилем и относительной влажностью более 80%) преобладает в конкретном месте. Перед расчетом проводится трансформация числа дней в безразмерные нормированные значения, что позволяет оценить вклад каждого фактора в их суммарное влияние на рассеивающую способность атмосферы. Главным недостатком данной методики является значительная трудоемкость выполнения расчетов.

Значительно проще использование для комплексной оценки метеорологического потенциала самоочищения атмосферы (МПА). В расчете МПА так же, как и при расчете КПСА, учитываются те же метеорологические параметры, но расчет значительно проще. Критерий МПА является отношением метеорологических условий, способствующих накоплению примесей,

(повторяемость скорости ветра 0-1 м/с (Рсл), туманов (Рт)) к метеорологическим условиям, способствующим рассеиванию примесей (повторяемость ветра со скоростью более 6 м/с- Р6, и повторяемостью осадков более 0,5 мм - Ро) Рсл+ Рт

К„

[6,7].

Р6 + Ро

Согласно [6,7], чем больше по абсолютной величине МПА, тем хуже условия рассеяния примеси в атмосфере. Если МПА < 1, то повторяемость процессов способствующих самоочищению атмосферы преобладает над повторяемостью процессов, способствующих накоплению вредных примесей в ней.

Этот метод обладает рядом преимуществ перед другими подходами:

- дает возможность оценить вклад каждого метеорологического параметра в общие условия, определяющие рассеивающую способность атмосферы;

- позволяет установить, процессы накопления или рассеивания преобладают на конкретной территории в определенный момент времени;

- отличается простотой расчетов.

Повторяемости выражают числом дней с тем или

иным атмосферным явлением или в процентах от общего числа дней в месяце или в году.

Однако метод расчета МПА не учитывает термическое состояние воздушных масс, в связи с чем, ряд авторов предлагает ввести коэффициент тепло-обеспеченности территории [8-10], а отечественный исследователь Селегей Т.С. с соавторами разработали усовершенствованный алгоритм расчета МПА [10].

Усовершенствованный метеорологический показатель рассеивающей способности атмосферы (УМПА) рассчитывается по формуле, учитывающей все три важнейших коэффициента самоочищения атмосферы - теплообеспеченности, ветра, осадков и выражается следующей формулой:

УМПА = К + К + Косад = е0,176ср + Р>6 / Р0-1 + Огод/400,

где 4р - среднегодовая температура воздуха, оС; Р> 6 - повторяемость скорости ветра > 6 м/с, %; Р0-1 -повторяемость скорости ветра 0-1 м/с, % ; Огод -годовая сумма осадков, мм; 400 - годовая норма количества осадков, необходимая для очищения атмосферного воздуха, мм.

По данным метеорологических наблюдений, проводимых на стационарных постах Министерства экологии и природных ресурсов РТ в период 20122014 гг. были рассчитаны повторяемости повторяемость скорости ветра > 6 м/с, (Р> 6 = 0,02%), повторяемость скорости ветра 0-1 м/с, Р0-1 =0,61% ), среднегодовая температура воздуха ( 1ср. =7,84 град.), годовая сумма осадков (Огод.= 568,2мм). Таким образом, УМПА составил 5,425.

В отличие от МПА, чем больше по своему значению УМПА, тем лучше на данной территории условия для рассеивания примесей. При УМПА > 3 создаются хорошие условия для рассеивания примесей, т.к. все три составляющие, входящие в формулу, имеют хорошие условия для рассеивания примесей или один доминант, способствующий рассеиванию примесей, настолько силен, что компенсирует недостатки одного или двух других компонентов, недостаточных для рассеивания примесей. При 3 < УМПА > 2 создаются неблагоприятные условия для рассеивания примесей. Участки с таким значением ПЗА считаются буферными зонами или зонами риска, в которой с одинаковой вероятностью могут наблюдаться метеоусловия, способствующие как загрязнению атмосферного воздуха, так и его самоочищению. При УМПА < 2 условия рассеивания примесей считаются крайне неблагоприятными.

Значение УМПА, полученное для территории Нижнекамского промышленного узла позволя-

ют характеризовать метеорологические условия рассеивания примесей, поступающих от стационарных источников загрязнения как благоприятные, препятствующие н загрязняющих веществ в приземном слое атмосферного воздуха.

Коэффициенты корреляции, как рассматривалось в [10], между УМПА и средними концентрациями примесей (рср) для ряда крупных городов подтвердили наличие значимых связей (г > 0,50) для большинства примесей, а также выявили локальные особенности формирования уровня загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха. Обратную зависимость между УМПА и рср (с увеличением коэффициента рассеивающей способности атмосферы среднегодовые концентрации примесей уменьшались) показали большинство городов для сернистого ангидрида, оксида углерода, диоксида азота, оксида азота, фенола, сажи, аммиака, бенз(а)пирена.

Установление корреляционных зависимостей между комплексным метеорологическим показателем и концентрациями примесей позволит осуществлять оперативный прогноз изменений уровня загрязнения атмосферного воздуха, создаваемого совокупность выбросов от стационарных источни-

ков загрязнения, при изменении значений метеорологических параметров.

Литература

1. РД 52.04.78-86. - М.: Госкомгидромет. СССР, 1986.

2. Безуглая Э.Ю. Метеорологический потенциал и климатические особенности загрязнения воздуха городов. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. -184с.

3. Безуглая Э.Ю., Смирнова И.В. Проблемы загрязнения воздуха. Крупнейшие города России. Сборник инженерные системы №2, С.Петербург. 2008.С. 24-32.

4. Крючков В.В. Север: природа и человек. - М.: Наука, 1979. - 127 с.

5. Линевич Н.Л., Сорокина Л.П. / География и природные ресурсы. 4, 160-165 (1992).

6. Селегей Т.С., Юрченко И.П. География и природные ресурсы. 2, 132-137 (1990).

7. Селегей Т. С. География и природные ресурсы. 1, 44-48 (1994).

8. Григорьева И.Г., Тунакова Ю.А., Шагидуллина Р.А., Вестник Казанского технологического университета, 12, 71-74 (2014).

9. Ладейщиков Н.П. Характерные черты климата и некоторые задачи климатических исследований в зоне БАМ . - Иркутск. - 1985. - 103 с.

10. Отчет о НИР 1.4.3.15ФБГУ «СибНИГМИ», рук. Селегей Т.С., Новосибирск,2014, 132 с.

© И. Г. Григорьева - доцент кафедры общей химии и экологии КНИТУ им. А.Н. Туполева - КАИ; Ю. А. Тунакова - д.х.н., проф., зав. каф. общей химии и экологии КНИТУ им. А.Н. Туполева - КАИ, juliaprof@mail.ru; Р. А. Шагидуллина - к.х.н., нач. управления государственной экологической экспертизы и нормирования воздействия на окружающую среду Мин-ва экологии и природных ресурсов РТ, Raisa.Shagidullina@tatar.ru; В. С. Валиев - науч. сотр. лаб. биогеохимии Института проблем экологии и недропользования АН РТ; О. Н. Кузнецова - к.х.н., доцент кафедры ТПМ КНИТУ.

© I. G. Grigorieva - assistant professor of general chemistry and ecology of KNRTU-KAI; Yu. Tunakova - the doctor of chemistry, professor, head of the department of General chemistry and ecology KNRTU-KAI, juliaprof@mail.ru; R. А. ShaguM!^;! - Ph.D., head of the state environmental review and regulation of the environmental impact of the Ministry of Ecology and Natural Resources of the Republic of Tatarstan; Raisa.Shagidullina@tatar.ru; V. S. Valiev - Researcher, Laboratory of Biogeochemistry Institute of Ecology and subsoil of the Academy of Sciences of the Republic of Tatarstan; О. N. Kuznetsova - candidate of chemical Sciences. assistant Professor of plastics technology, KNRTU.

Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 1.06.15. по 14.08.15.