Общие закономерности загрязнения атмосферы

• Факторы интенсивности осаждения и самоочищения
• Интенсивность выноса загрязняющих веществ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Картографирование загрязнения атмосферы.Атмосфера как наиболее динамичная среда характеризуется сложной пространственно-временной динамикой уровней содержания примесей. В каждый данный момент времени уровень загрязненности атмосферы над некоторой территорией или в той или иной точке определяется балансом по отдельным поллютантам и их совокупности. В приходной части баланса находятся:

1. поступление загрязняющих веществ от совокупности техногенных и естественных источников в пределах рассматриваемой территории;

2. поступление загрязняющих веществ от источников за пределами рассматриваемой территории, в том числе отдаленных (дальний перенос);

3. образование загрязняющих веществ в результате вторичных химических процессов, протекающих в самой атмосфере.

В расходной части баланса находятся:

1. вынос загрязняющих веществ за пределы рассматриваемой территории;

2. осаждение загрязняющих веществ на земную поверхность;

3. разрушение загрязняющих веществ в результате процессов самоочищения.

При этом динамика выделения разных веществ часто определяется ходом одних и тех же производственных и естественных (дефляционных, вулканических) процессов. Поля концентраций отдельных ингредиентов непрерывно меняются, причем не только в силу неравномерности поступления поллютантов, но и вследствие турбулентного характера их переноса. Воздушный поток, взаимодействующий с неровной подстилающей поверхностью, носит не стационарный, а квазипериодический характер, что проявляется в попеременном усилении и ослаблении циркуляции вокруг зданий и иных неровностей, с периодическим формированием и срывом вихрей с их подветренных кромок. Поэтому в каждой точке, на каждой территории ход концентраций отдельных ингредиентов и общего уровня загрязненности имеет некоторую специфику.

Факторы интенсивности осаждения и самоочищения для разных веществ в значительной степени совпадают. Поэтому концентрации разных веществ обычно меняются относительно согласованно, подчиняясь одним и тем же временным и пространственным закономерностям.

Выделение загрязняющих веществ от техногенных источников усиливается:

1. с ростом числа работающих единиц производственного оборудования и транспортных средств, увеличением интенсивности их работы;

2. при ухудшении технического состояния и авариях;

3. при неэффективной работе или отключении очистного оборудования.

Интенсивность поступления и выноса загрязняющих веществ зависит от скорости ветра и характера атмосферной стратификации; интенсивность самоочищения — от температуры, влажности, интенсивности ультрафиолетового излучения, шероховатости подстилающей поверхности. При этом тенденции загрязнения атмосферы для территорий в целом и отдельных их частей могут не совпадать. Так, при устойчивых сильных ветрах снижение загрязненности воздушного бассейна городской территории может сопровождаться локальным ростом в пригородной местности, с подветренной стороны от города.

Сочетание естественных факторов, обусловливающих высокий уровень загрязнения, образует потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА).Степень реализации потенциала загрязнения атмосферы зависит от наличия и мощности источников загрязнения.

Таким образом, картографирование загрязнения атмосферы складывается из:

1. картографирования потенциала загрязнения атмосферы;

2. картографирования источников загрязнения;

3. картографирования уровней загрязнения.

С эколого-гигиенической точки зрения наибольший интерес для картографирования представляют следующие характерные уровни загрязнения атмосферного воздуха:

1. средний годовой (многолетний) уровень, который формируется при наличии динамического равновесия между эмиссией и рассеянием атмосферных загрязнений;

2. уровень загрязнения, складывающийся при сочетании обычного (или скорректированного согласно плана мероприятий при НМУ) режима работы предприятий — источников загрязнения атмосферы, и неблагоприятных для рассеяния метеоусловий (5% повторяемости, согласно действующей системы экологического нормирования);

3. уровень загрязнения, который может возникнуть при аварийном выбросе от потенциально опасного объекта при определенных заданных (обычно неблагоприятных) метеоусловиях;

4. фактически существующий текущий уровень загрязнения.

Картографирование потенциала загрязнения атмосферы (ПЗА) проводится на основе данных стационарных метеорологических на­блюдений, в мелких и средних масштабах. Величина ПЗА показы­вает, во сколько раз средний уровень загрязнения атмосферного воздуха в конкретном районе, с определенной повторяемостью неблагоприятных для рассеивания примесей метеорологических условий (НМУ), будет выше или ниже, чем в некотором другом районе, принятом за эталон.

Поскольку состояние атмосферы претерпевает как внутри-, так и межгодовые изменения, различают климатический иметеорологический потенциал загрязнения атмосферы. Климатический ПЗА отражает среднюю повторяемость и степень выраженности НМУ, определяется исходя из средних многолетних характеристик и яв­ляется стабильной характеристикой.

Метеорологический потенциал загрязнения атмосферы (МПА) определяется конкретными метеоусловиями и постоянно изменяет­ся. Поскольку климатический и метеорологический потенциалы загрязнения атмосферы обладают повсеместным распространением и характеризуются количественно, для их картографирования используется способ изолиний.

Климатический потенциал загрязнения атмосферызависит от основных климатических параметров, определяемых за длительные промежутки времени. Для расчета климатического ПЗА требуются данные аэрологических наблюдений, выполняемых в весьма ограниченном числе пунктов. Так, на территориях, где преобладают низкие источники выбросов и высокие с холодными выбросами, климатический ПЗА может быть рассчитан по формуле:

 

ПЗА = 2,5 • exp.{[0,04/(z₂ – z₁)²] - [0,4/(z₂ – z₁)]} (1),

 

где z_l и z₂ — аргументы интеграла вероятности Ф(z),при которых Ф(z) связан с Р₁ и Р₂ соотношениями

 

Ф(z₁) = 1 - 2Р₁; Ф(z₂) = 1 - 2Р₂ , (2)

 

В свою очередь:

 

P₁ =P_ин⁺Р_сл - P_з + P_т; P₂ = P_з + P_т, (3)

 

где P_ин — повторяемость приземных инверсий; Р_сл — повторяемость слабых ветров (0—1 м/с); P_з — повторяемость застоев возду­ха; P_т— повторяемость туманов.

Картографирование ПЗА включает вычисление его значений для метеостанций, с использованием соответствующих формул, и географическую интерполяцию, с вычерчиванием изолиний. При мелкомасштабном картографировании климатического ПЗА выявляется влияние циркуляционных особенностей глобального и регионального масштаба, воздействие крупных форм рельефа. На территории бывшего СССР было выделено пять зон: низкого, умеренного, повышенного, высокого и очень высокого ПЗА.

Метеорологический потенциал загрязнения атмосферы (МПА)характеризуется значительно большей пространственной и временной изменчивостью и является предметом среднемасштабного картографирования. Для определения МПА используются параметры, определяемые на значительно большем числе метеостанций. Для определения МПА была предложена формула Т. Г. Селегей:

 

МПА = (Р_сл+Р_т)/(Р_о + Р₁), (4)

 

где Р_сл — повторяемость слабых ветров (0—1 м/с); Р_т — повторяемость дней с туманом; Р_о — повторяемость дней с осадками 0,5 мм и более; Р_в — повторяемость скорости ветра 6 м/с и более.

Карты МПА могут создаваться для средних многолетних характеристик того или иного месяца (или иного интервала), осредненных величин за конкретный отрезок времени, либо по состоянию на определенные моменты (день и час). При составлении таких карт весьма важно придерживаться географического подхода к интерполяции данных, поскольку величины параметров, определяющих МПА, даже при равнинном рельефе могут различаться в несколько раз, в зависимости от расположения метеостанции на водоразделе, склоне или в долине. При этом данными наблюдений на метеостан­циях обеспечены лишь единицы из многих тысяч конкретных эле­ментов рельефа. В то же время такое картографирование — весьма важная прикладная задача, поскольку позволяет количественно охарактеризовать различия в уровнях загрязнения при одном и том же выбросе, в зависимости от места размещения источника.

Картографирование источников загрязнения атмосферы проводится на основе данных инвентаризаций, статистической отчетности об объемах выбросов и обобщающих материалов. Данные инвентаризаций получают при разработке материалов экологического нормирования (тома ПДВ предприятий, материалы ОВОС) на генеральных планах предприятий, в масштабах 1:500—1:5000. При этом показывается плановое положение источников выбросов, включенных в инвентаризацию, и их номера по списку. Характеристика источников (наименование, удельные выбросы отдельных ингредиентов в г/с, режим работы источника) дается в табличных материалах и исполь­зуется для расчетов рассеяния максимальных разовых выбросов.

Картографирование на основе данных статистической отчет­ности (форма 2-ТП (воздух)) выполняется в крупных масштабах (1:25 000—1:50 000), для территорий городов и их частей. При этом для показа объемов и структуры выбросов обычно используются структурные значки. Размер знака должен соответствовать суммарной величине выбросов, а внутренняя структура — раскрывать состав выброса по основным ингредиентам.

Картографирование на основе обобщающих материалов по городам и крупным регионам выполняется в средних и мелких масштабах, обычно с использованием соответственно значков и картограмм. Вследствие ряда причин информативность подобных карт обычно бывает невысока.

Во-первых, при картографировании суммарных выбросов по городам и регионам, как правило, ограничиваются арифметическими суммами выбросов по всем веществам, без учета различий в степени их экологической опасности. Между тем для таких распространенных веществ, как оксид углерода и 3,4 бенз(а)пирен, величины ПДК_мр различаются в 5 млн раз, ПДК_сс — в 3 млн раз (!), т.е. 1 кг бенз(а)пирена эквивалентен 3—5 тыс. т оксида углерода. Поэтому информативными оказываются не абсолютные, а приведенные (с учетом различий значений ПДК) суммы выбросов. Как видно из сопоставления рис. 15 и 16, учет состава и степени токсичности выбросов существенно меняет картину в сравнении с простыми суммами.

Во-вторых, до сих пор широко распространено картографирование таких географически бессмысленных показателей, как выбросы в расчете на одного жителя или на единицу площади. Между тем очевидно, что ни численность населения, ни площадь территории на интенсивность рассеяния и самоочищения не влияют. Нормирование выбросов на единицу площади бессмысленно потому, что не учитывает трансграничный перенос.

Повысить информативность мелкомасштабных карт выбросов может использование структурных значков и картодиаграмм, с ориентацией на приведенные выбросы. Приведение обычно осуществляется к диоксиду серы через соотношение величин ПДК.

Картографирование уровней загрязнения атмосферы выполняется для разных временных интервалов.

Долговременное (осредненное за длительный период) загрязнение воздуха может быть охарактеризовано по прямым или косвенным данным.

Число постов в городах зависит от их населения и объемов промышленных выбросов и составляет от 1 до 10-20. Из-за ограниченности числа постов при картографировании по прямым данным интерполяция выполняется схематично, практически без учета планировочной структуры городов. Необходимо также отметить, что сопоставление характеристик загрязнения по разным постам не всегда бывает корректным вследствие разнообразия условий размещения постов. Посты могут размещаться вблизи предприятий и промышленных зон, на автомагистралях, в жилых и зеленых зонах и т.д., причем количество функциональных зон каждого типа намного превышает число приуроченных к ним постов. Это позволяет решить задачу получения общегородских характеристик, дифференцированных по функциональным зонам, но делает весьма проблематичной возможность интерполяции между постами. Расстояние между постами в городах обычно бывает порядка километров, и функциональные зоны между ними сменяют друг друга неоднократно.

Косвенными данными, позволяющими оценивать долговремен­ное загрязнение воздуха, являются материалы лихеноиндикации, а также результаты картографирования загрязнения почв. Твердые вещества, загрязняющие почвы, и газообразные соединения, загрязняющие атмосферу, часто выделяются из одних и тех же источников.

Кратковременное загрязнение воздуха при неблагоприятных метеоусловия контролируется в крупных городах значительно более полно, чем долговременное, так как на решение этой задачи направлены подфакельные наблюдения и. контроль санитарно-защитных зон предприятий. Обобщение материалов подфакельных и ведомственных наблюдений позволяет охарактеризовать кратковременное загрязнение воздуха при НМУ в крупном масштабе, по прямым данным. При этом важнейшее значение приобретает анализ условий возникновения высоких концентраций поллютантов, а также картографирование этих концентраций и условий их возникновения.

Неблагоприятные для рассеяния выбросов метеоусловия могут формироваться как в городе в целом, под воздействием макроме-теорологических процессов, так и на локальных участках вследствие влияния мезо- и микрометеорологических процессов.

В первом случае определяющими факторами являются повторя­емости приземных и приподнятых инверсий, слабых ветров, зас­тоев воздуха, туманов, составляющие в совокупности потенциал загрязнения атмосферы. Наличие этих условий приводит к формированию над городом шапки загрязненного воздуха, в пределах которой перепады концентраций относительно невелики.

Во втором случае речь идет о локальном повышении приземных концентраций при опасной скорости ветра, величина которой растет по мере удаления от источника загрязнения. В зависимости от скорости и направления ветра зоны максимальных приземных концентраций от конкретных источников постоянно смещаются. Положение точки по отношению к источникам загрязнения атмосферы определяет, какое сочетание скоростей и направлений ветра является для этой точки опасным. Поэтому понятие неблагоприятных метеоусловий для города в целом может быть не вполне однозначно. В связи с этим карта, представляющая максимальное загрязнение воздуха в городе, должна характеризовать не определенную неблагоприятную ситуацию, а их совокупность.

Такая общая карта должна быть расчленяема по конкретным метеорологическим ситуациям (в первую очередь — сочетаниям скоростей и направлений ветра), в целях разработки профилактических мероприятий, применительно к этим ситуациям. Необходимая для этого метеорологическая информация заимствуется из данных метеостанции того же города. Вычисляются средние значе­ния концентраций отдельных ингредиентов и величины ИЗА для сочетаний направлений и интервалов скоростей ветра (до 2 м/с, 3-4 м/с, 5—6 м/с и т.д.).

Этот подход может быть реализован по материалам мониторинга и в рамках математического моделирования. Соче­тание обобщающих карт (ИЗА при неблагоприятных метеоусловиях) и поингредиентных, составленных аналогично, позволяет проанализировать структуру атмосферных проблем по районам урбанизированной территории. Результатом такого анализа должна становиться конкретизация понятия неблагоприятных метеоусловий по районам города, ингредиентам и, соответственно, источникам загрязнения атмосферы.

Расчетные значения уровней загрязнения атмосферного воздуха при неблагоприятных условиях 5%-ной повторяемости получаются при выполнении расчетов согласно типовой методики ОНД-86. При этом следует иметь в виду, что данная методика не предусматривает учет конкретных метеорологических ситуаций. «Опасные» направления и скорости ветра для разных точек неодинаковы. Поэтому расчет по методике ОНД-86 создает картину распределения уровней загрязнения, которая может сложиться не единовременно, а как совокупность экстремальных значений, возможных в разных точках в разное время.