К вопросу об оценке состояния и прогнозировании экологической обстановки

/144 Civil SecuritiyTechnology, Vol. 6, 2009, No 3-4

УДК 614.8

К вопросу об оценке состояния и прогнозировании экологической обстановки

© Технологии гражданской безопасности, 2009

А.И.Пономарев К.А. Недбайло Л.В. Куренева

Аннотация

В статье рассмотрена проблема защиты окружающей среды от антропогенного воздействия. Излагается подход к оценке состояния и прогнозирования уровня загрязнения атмосферного воздуха и окружающей среды в целом. Разработанные модели позволяют на основе балльных оценок рассчитывать комплексный показатель загрязнения атмосферного воздуха и состояния окружающей среды в целом. На базе уравнений баланса атмосферных примесей предложен метод переноса диоксида серы. Расчёт и прогноз распространения примесей выполняется одновременно с расчётом и прогнозом метеорологических и гидрологических параметров.

Ключевые слова: защита окружающей среды, загрязнение атмосферы, уровень загрязнения.

Apropos evaluation and forecast of environmental situation

© Civil Security Technology, 2009

A.I. Ponomarev K.A. Nedbailo L.V. Kureneva

Abstract

The article deals with the issues of protecting the environment from anthropogenic impact. The authors provide an approach to the assessment and forecast of air pollution levels and environmental condition as a whole. Models are proposed for score-based estimation of an composite indicator of the atmospheric air pollution level and the environment condition as a whole. The authors propose an air impurity balance equations-based method for sulfur dioxide transfer. The calculations and forecast of impurity spreading are performed simultaneously with the calculations and forecast of meteorological and hydrological parameters.

Key words: environment protection, atmospheric air pollution, pollution level.

Загрязнение окружающей среды обусловлено в основном антропогенным фактором и в незначительной степени природным (вулканы, пожары, пыльные бури). Основными источниками ее загрязнения являются: промышленность и транспорт, энергетические и сельскохозяйственные комплексы, дампинг радиоактивных (в том числе ввозимых в нашу страны из-за рубежа для их утилизации и последующего захоронения) и химических веществ, и полигоны для испытания ядерного, химического и бактеориологического оружия.

Одной из основных задач в деле охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов следует считать, прежде всего, оценку состояния и тенденции ожидаемых изменений экологической обстановки в целях исключения (ограничения) отрицательных последствий хозяйственной и другой деятельности человека в условиях научно-технического прогресса.

Оценка состояния и прогнозирование экологической обстановки, базируясь на обработанном фактическом материале данных контроля (наблюдений) загрязнения окружающей среды и математических моделях, учитывает социальные (демографические), гидрометеорологические и климатические факторы, а также технические показатели и степень загрязнения того или иного района (региона, акватории, территории).

Оценка состояния окружающей среды (экологической обстановки) может быть представлена, как это принято в России и за рубежом, в виде комплексных показателей состояния окружающей среды в заданном регионе, в масштабе республики, страны, а в отдельных случаях — в объеме Земного шара. Как правило, оценка состояния окружающей среды подразделяется на оценку ее составных частей (воздуха, воды, почвы и т.д.), реже — окружающей среды в целом.

Разработанные модели [1] позволяют на основе балльных оценок рассчитать комплексный показатель загрязнения атмосферного воздуха и состояния окружающей среды в целом:

¡=1

где: X — комплексный показатель загрязнения атмосферного воздуха;

балльная оценка учитываемых параметров загрязняющих веществ (Б02 = 1, N02 = 2 и т.д.); п — число ингредиентов.

Расчет комплексного показателя состояния окружающей среды в некотором регионе (районе и т.д.) с учетом социальных факторов производится по формуле:

к

^Х^У*2....

X — комплексный показатель загрязнения атмосферного воздуха, определяемый по формуле (1);

У — комплексный показатель загрязнения поверхностных вод и т.д.;

А1 (а1, а2 ...) — величины весовой функции социальных факторов для рассматриваемых сред;

N — число сред.

Расчет (Ксп) с учетом технических факторов производится аналогично.

Подход к оценке качества атмосферного воздуха с использованием данных о приведенных выбросах изложен в работе [3]:

М_ ~К

где, Ксп — комплексный показатель состояния окружающей среды с учетом социальных факторов;

где: СТ — безразмерный показатель относительной опасности загрязнения атмосферы над различными территориями;

К — коэффициент разбавления выбросов от данного источника, м2/с;

М — приведенный годовой выброс загрязняющих веществ из данного источника, Тусл. /год.

Кроме подобного рода представления оценки состояния окружающей среды, имеются и другие формы, получение которых производится в соответствии с разрабатываемыми требованиями потребителей к обзорной фактической информации, распределенной во времени и пространстве, а также методическими требованиями прогностических моделей загрязнения природной среды и использования минеральных, животных, растительных, почвенных и водных ресурсов на областном, региональном, республиканском и общегосударственном уровнях.

Методы прогнозирования экологической обстановки по заблаговременности составления прогнозов подразделяются на:

краткосрочные (от 1 до 3 суток); долгосрочные малой заблаговременности от 10 до 20 суток);

долгосрочные (от 1 до 6 месяцев); сверхдолгосрочные (от I года до 10—15 лет). Краткосрочные и долгосрочные прогнозы экологической обстановки, в части прогнозирования уровня загрязнения атмосферного воздуха, воды, почвы т.д., одновременно позволяют составить прогностическую оценку и ожидаемых изменений в природных ресурсах, связанных с изменением уровня загрязнения окружающей среды. Например, аварийные разливы нефтепродуктов, пожары, взрывы, землетрясения и т.д., снижая качество природных сред, одновременно уничтожают (или снижают качество) природных запасов. Процедура краткосрочного и долгосрочного прогнозирования уровня загрязнения окружающей среды связана с обязательным учетом гидрометеорологической обстановки на весь период действия прогнозов.

Например, формирование, характер и размеры зон радиоактивного загрязнения зависят не только от мощ-

ности взрыва ядерного источника, но и от вертикальной и горизонтальной составляющих скорости ветра, вертикального распределения температуры и влажности воздуха, характера подстилающей поверхности. Метеорологические условия могут усиливать или ослаблять в целом зону радиоактивного загрязнения; аналогичная обстановка имеет место при формировании и распространении зон повышенного загрязнения от мгновенных точечных, непрерывных линейных, мгновенных линейных и непрерывных пространственных источников загрязнения природной среды.

Краткосрочное прогнозирование экологической обстановки в основном связано с прогностической оценкой ожидаемого воздействия (а в отдельных случаях и запланированного) человека или природы на окружающую среду. Такие прогнозы в целом несут «оттенок» штормовых предупреждений об ожидаемых опасных или особо опасных экологических явлениях (ОЭЯ или ООЭЯ соответственно) или оповещений (немедленно после их реализации) о них.

Долгосрочные прогнозы уровня загрязнения природных сред позволяют с той или иной степенью достоверности оценить ожидаемые изменения качества составляющих сред с целью принятия мер по снижению (исключению) их загрязнения и планирования природоохранных мероприятий.

В целом долгосрочное прогнозирование ожидаемого уровня загрязнения окружающей среды включает три основных направления, принятых в природоохранной стратегии [3]:

прогнозирование состояния природных сред на перспективу при планируемых капитальных вложениях в природоохранные мероприятия;

прогнозирование состояния природных сред, предназначенное для оценки необходимых капитальных вложений в природоохранные мероприятия, которые должны обеспечить снижение загрязнения окружающей среды до предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ и предельно допустимых уровней волнового загрязнения биоты;

прогнозирование, предусматривающее выявление оптимальной стратегии капитальных вложений в природоохранные мероприятия с позиции экономических, медицинских, биологических, социальных требований в части рассматриваемой проблемы.

Методы долгосрочного прогнозирования состояния природных сред можно подразделить по способам составления на две группы.

К первой группе относятся:

методы, основание на статистических связях между суммарными выбросами вредных веществ и уровнем загрязнения сред;

экстраполяционные методы;

инерционные методы, основанные на предположении, что в будущем тенденции загрязнения сред сохраняется адекватной тенденции на момент составления прогноза.

Недостатком этих методов является то, что они не учитывают специфику условий распространения (рассеивания) вредных веществ в конкретных природных объектах, а также климатические, гидрометеорологические, ландшафтные и другие факторы.

Вторая группа объединяет гидродинамические методы, основанные на математических уравнениях, учитывающие многие природные и антропогенные факторы, обусловливающие в различной степени направленность и характер распространения (рассеивания) вредных веществ в природных средах. Несмотря на то, что долгосрочный прогноз — это прогноз «среднего уровня загрязнения», тем не менее к нему предъявляются весьма серьезные требования со стороны потребителей. Именно методы, основанные на уравнениях математической физики, отвевают на многие вопросы в области достоверного прогнозирования экологической обстановки. В настоящее время их возможности ограничиваются по причине отсутствием исходной информации.

Распространение атмосферных примесей от их источников, трансформация (превращение одних видов примесей в другие) и их выпадение из атмосферы зависят от метеорологической обстановки (метеорологических условий), а потому диагноз и прогноз распространения их базируется на использовании ряда параметров атмосферы. Вместе с тем составление прогноза распространения примесей сопрягается с решением задачи диагноза и прогноза полей элементов метеорологической обстановки и эти две задачи, таким образом, решаются на основе использования уравнений баланса для атмосферных примесей и уравнений гидродинамики.

Уравнения баланса для любой субстанции имеет вид

[4]:

где: a — количество любой субстанции (массы, энергии и т.д.) в единице массы воздуха;

S — поверхность некоторого замкнутого объема; dv — элемент некоторого замкнутого объема; ds — элемент поверхности замкнутого объема; An — скорость движения субстанции по внешней нормали (п) к поверхности

8 — приток (скорость образования или уничтожения) субстанции в единице объема.

В левой части уравнения объемный интеграл есть скорость изменения количества данной субстанции в объеме (V); первый член правой части уравнения — полный приток субстанции через поверхность второй — приток субстанции в объеме (V).

Для расчета переноса вредных веществ на дальние расстояния (трансграничный перенос) в последнее время используют численные модели (также на базе уравнений баланса атмосферных примесей). Во всех таких моделях непосредственный расчет переноса примесей отделен от общей задачи расчета и прогноза крупномас-

штабных атмосферных движений; в них скорость ветра, температура и влажность воздуха принимаются как известные функции времени. Данная постановка задачи обеспечивает свободный переход от прогноза распространения примесей к расчету их распространения при использовании фактических данных метеорологической обстановки. Предложенный автором [5] метод переноса Б02 исходит из решения уравнения баланса атмосферных примесей вида:

—+и — + у— + — = к

д1 дх ду дг х дх2 ду2 дг * дг

где: кх = ку; к2 — коэффициенты турбулентной вязкости;

8 — концентрация примеси;

и, V, w — проекции вектора скорости;

F — функция распределения источников примесей в пространстве и времени (F=F(x,y,z,t);

Р — сток примесей;

W — часть примесей, «захватываемых» влагой и «вымываемыми» осадками.

Решение уравнения (5) выполняется численными методами [3,5]. Результаты проведенных испытаний подтвердили состоятельность освещаемого метода на примере переноса Б02.

В работе [7] и других источниках излагаются основы расчета распространения атмосферных примесей вблизи их источников, а также приводятся решения уравнения баланса атмосферных примесей при стационарных процессах для пограничного слоя атмосферы и численное моделирование процессов загрязнения атмосферы крупных городов, их влияние на термический режим атмосферы и т.д.

Для этих целей прогностические подразделения системы сбора, обработки и распространения фактической и прогностической экологической информации [3] должны быть укомплектованы целым пакетом программ расчета и прогноза уровня загрязнения природной среды на региональном, локальном и глобальном уровнях, а также моделями прогноза снижения загрязнения природной среды на ведомственном уровне (прогнозирование снижения загрязнения атмосферы, гидросферы, почвы и т.д. автотранспортом, тяжелой промышленностью и другими отраслями).

Охране окружающей среды от загрязнения промышленными выбросами и сбросами в настоящее время придается все большее внимание в нашей стране и за рубежом. Методы прогноза роста потребления природных ресурсов и количества загрязняющих веществ, выбрасываемых промышленными предприятиями в атмосферу, водоемы и почву, обеспечивают оценку неблагоприятных последствий, которые могут сложиться по отдельным районам и стране в целом.

Долгосрочный прогноз состояния окружающей среды включает оценку состояния водных ресурсов, воздушного бассейна и почв в зависимости от характера и тенденции воздействия (количества загрязняющих веществ) промышленности, оборонного комплекса, сель-

ского хозяйства. Для прогноза состояния окружающей среды используются данные ожидаемого развития отраслей народного хозяйства на базе генеральной схемы их развития и на конкретный срок.

Прогноз на отдаленную перспективу может быть составлен на основе методов экспертных оценок, экстраполяции и др. В расчетной схеме учитываются факторы, которые могут обусловить увеличение загрязнения окружающей среды в результате наращивания мощностей производства и развития средств производства в целом. Например, на нефтеперерабатывающих предприятиях их мощность определяется величиной перерабатываемой на них нефти. Нефть предопределяет количество резервуаров для хранения сырья и продуктов, количество комплексов по переработке нефти и т.д. Одновременно глубина переработки нефтепродуктов определяет количество и состав отходящих вредных газов, количество потребляемой в производстве воды, состав и количество сточных вод, общее количество и набор технологий, а также интенсивность работы резер-вуарных парков, расход топлива, производительность блоков оборотного водоснабжения и т.д. Рост количества потребляемого топлива в общем его расходе пропорционален увеличению вредных веществ (тяжелых металлов, оксидов серы, углерода и пыли), выбрасываемых в природную среду.

Для прогнозирования уровня загрязнения окружающей среды могут быть использованы удельные показатели, раскрывающие характеристики выбросов и сбросов вредных веществ в атмосферу, гидросферу и почву при производстве единицы товарной продукции или при использовании отводимой воды при для производства единицы данной товарной продукции. Такие методы прогноза уровня загрязнения можно определить как методы прогноза «на основании норм и нормативов».

Нормативное (или целевое) прогнозирование ожидаемого уровня загрязнения окружающей среды может носить как отраслевой (региональный) уровень, так и в масштабе республики и страны в целом. Республиканский прогноз следует рассматривать как некоторую совокупность региональных (отраслевых).

Генетический метод прогнозирования загрязнения природной среды основан на экстраполяции характеристик вредных веществ с той или иной заблаговре-менностью; будущие характеристики загрязнения окружающей среды устанавливаются на базе существующих тенденций развития отраслей народного хозяйства, а также учета ретроспективной информации о загрязнении окружающей среды.

Между генетическим и целевым (нормативным) методами имеет место разница. Если генетический прогноз экстраполирует увеличение удельного веса какого-либо способа очистки выбросов и сбросов вредных веществ, то целевой определяет необходимые требования к развитию способов очистки загрязненных воздушных или водных масс для достижения заданного качества атмосферного воздуха, воды, состава и концентрации

выбросов и сбросов вредных веществ.

Начальным этапом отраслевого прогнозирования является качественное описание главных компонентов объектов прогнозирования.

Прогнозирование уровня загрязнения не является самоцелью, оно прежде всего должно предусматривать и прогнозирование природоохранных мероприятий, включающих[6]:

подготовку сведений о ретроспективном, существующем и ожидаемом (перспективном) уровнях развития и размещения производительных сил отрасли;

подготовку данных о ретроспективных и существующих объемах выбросов и сбросов вредных веществ в окружающую среду и прогноз их количества на заданную перспективу (с заданной заблаговременностью);

подготовку данных о ретроспективных и существующих количествах вредных веществ в выбросах и сбросах до осуществления природоохранных мероприятий, а также прогноз состава (компонентов) выбросов и сбросов на заданную перспективу;

подготовку данных по ретроспективным и существующим видам природоохранных мероприятий, их эффективности и ожидаемом развитии;

анализ результатов прогноза и уточнение комплекса природоохранных мероприятий.

Разработка и составление этих прогнозов представляет собой комплексную задачу, решение которой связано с анализом большого количества ретроспективной и существующей информации об источниках выбросов и сбросов загрязняющих веществ и их компонентном составе; все операции прогнозирования могут быть успешно реализованы при соответствующем математическом и программном обеспечении всех прогностических расчетов с использованием высокопроизводительных электронно-вычислительных средств.

Снижение выбросов и сбросов до уровней ПДК и ниже может быть обеспечено с учетом прогностических рекомендаций только путем провидения комплекса мероприятий, направленных на совершенствование технологических процессов, создание и внедрение мало— и безотходных технологий, совершенствование методов и средств очистки выбросов, сбросов и утилизации промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов.

Решение разнородных задач в области защиты окружающей среды и рационального природопользования всецело зависит от реализации мероприятий, предусматривающих:

создание и совершенствование соответствующей нормативной правовой базы в области защиты окружающей среды и природопользования;

совершенствование и разработка перспективных технологических процессов, снижающих или полностью исключающих выбросы и сбросы вредных веществ;

совершенствование методов и средств очистки сточных вод и газовых выбросов;

повсеместное внедрение очистных установок и со-

оружений на действующих промышленных, сельскохозяйственных и других объектах;

повышение культуры производства и управления предприятиями.

О гидрометеорологическом обеспечении решения задач контроля загрязнения окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.

Охрана окружающей среды предполагает не только непрерывный контроль за источниками загрязнения природы, но и функцию обеспечения достоверного прогнозирования смещения и трансформации выбросов и сбросов в различных средах окружающей нас природы. Ведущая роль в этом деле отводится гидрометеорологии.

Принимая во внимание взаимосвязь атмосферы, гидросферы и литосферы в части динамики (циркуляции) загрязняющих веществ, задачи, возлагаемые на гидрометеорологическое обеспечение природоохранных мероприятий, можно подразделить на два вида [7]:

гидрометеорологическое обеспечение проектирования городов, населенных пунктов, промышленных и других объектов народного хозяйства и оборонного значения;

гидрометеорологическое обеспечение контроля и прогнозирования переноса загрязняющих веществ и уровня загрязнения сред.

Первая задача должна решаться на начальном этапе, исходя из:

климатических условий функционирования будущих объектов;

технических особенностей и мощности промышленных объектов, транспортных систем;

ожидаемого характера выбросов и сбросов вредных веществ, а также уровня волнового (физического) загрязнения окружающей среды;

условий и планируемого режима работы промышленных объектов и особенности инфраструктуры.

Второй вид задач объединяет мероприятия гидрометеорологического характера, направленные на обеспечение уже функционирующих объектов, населенных пунктов и т.д., который предусматривает:

составление карт пространственно-временного распределения загрязняющих веществ на локальном, региональном, трансграничном и планетарном уровнях;

диагноз и прогноз распространения загрязняющих веществ с заданной (необходимой) заблаговременно-стью;

составление предупреждений и оповещений об опасных и особо опасных гидрометеорологических явлениях, способствующих резкому осложнению (ухудшению) экологической обстановки в пункте, на территории, акватории и т.д.;

разработка рекомендаций по эффективному учету ожидаемых гидрометеорологических условий в целях снижения воздействия загрязняющих веществ на окружающую среду;

разработка и составление методических пособий по

гидрометеорологическому обеспечению решения экологических проблем;

дальнейшие исследования в области активного воздействия на гидрометеорологические процессы с позиции возможных губительных последствий.

Гидрометеорологические условия в значительной мере определяют как характер переноса загрязняющих веществ в атмосфере и гидросфере, так и их трансформацию, выпадение и осаждение в гидросфере и почве.

Для расчета переноса (распространения) примесей в атмосфере необходимы исходные фактические и прогностические данные метеорологической обстановки (синоптические карты, карты барической топографии, данные о вертикальном температурно-ветровом зондировании атмосферы, сведения о пространственно-временном распределении температуры и влажности воздуха), а для расчета переноса загрязняющих веществ в гидросфере — дополнительно сведения о гидрологической (океанологической) обстановке (карты течений на стандартных горизонтах, данные о пространственно-временном распределении температуры и плотности водных масс).

Вывод

Таким образом, расчет и прогноз распространения примесей выполняются одновременно с расчетом и

прогнозом метеорологических и гидрологических параметров на соответствующие сроки, в зависимости от заблаговременности прогнозирования ожидаемой экологической обстановки.

Литература

1. Гэпча Э., Юхас И. и др. Методические вопросы разработки коли-

чественных и структурных моделей для долгосрочного прогноза качества атмосферного воздуха. Тр. ИПГ им Е. Федорова, 1989, вып. 73.С. 3-18.

2. Охрана окружающей среды. Модели социально-экономического

прогноза. М., Экономика, 1982, 234с.

3. Пономарев А. И. Государственная система эколого-информационного обеспечения: М., Центральный справочно-информационный фонд МО РФ, инв. № 4924, 2002, 413с.

4. Белов П.Н. Численные методы прогноза погоды. :Гидрометеоиздат, 1975.

5. Вельтищева Н.С. Моделирование трансграничного переноса дву-

окиси серы с учетом вертикальных движений. Метеорология и гидрология, 1980, №7. 3.

6. Минаев В.В. и др. Использование систем норм и нормативов для

разработки долгосрочного прогноза состояния окружающей среды в нефтепереработке и нефтехимии. Тр. ИПГ им. Е.К. Федорова, 1989, вып. 73.С. 39-44.

7. Семченко Б.А., Белов П.Н. Метеорологические аспекты охраны природной среды. М., МГУ.1984. 96 с.

Сведения об авторах

Пономарев А.И: ЦСИ ГЗ МЧС России, к.т.н., с.н.с. Недбайло К.А.: ФГУ ВНИИ Г ОЧС (ФЦ), 7 НИЦ, начальник направления.

Куренева Л.В.: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 7 НИЦ, заместитель начальника направления.