CC BY
129
КЛИМАТ И ПРОГНОЗ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В ГОРОДЕ
Михаил Абрамович Креймер
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат экономических наук, доцент кафедры экологии и природопользования СГГА, тел. (383)361-08-86, e-mail: [email protected]
Приводятся результаты моделирования параметров метеорологического состояния атмосферы и ее загрязнения в городе. Показано, что экологические методики по расчету концентраций не учитывают ведущие факторы формирования климата и условия рассеивания: солнечную радиацию и атмосферное давление, формирующие ветровой режим и температурные градиенты.
Ключевые слова загрязнение, климат, расчет рассеивания, прогноз.
CLIMATE AND FORECASTS FOR CITY ATMOSPHERIC AIR POLLUTION
Mikhail A. Kreimer
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph.D., Assoc.Prof., Department of Ecology and Natural Resources Management, tel. (383)3610886, e-mail: [email protected]
The data on modeling the interdependency between the parameters of atmosphere meteorological condition and its pollution in the city are presented. It is shown that ecological techniques for concentration calculation don’t’ take into account basic climate-forming factors and dispersion conditions (solar radiation and atmospheric pressure), forming wind conditions and temperature gradients.
Key words: pollution, climate, dispersion calculation, forecast.
Для моделирования закономерностей загрязнения атмосферы использовались контролируемые ингредиенты и метеорологические параметры, измеренные в течение года в городе Барнауле, сохраняющие постоянное значение в пределах одного явления и выбранного интервала осреднения. Между приведенными параметрами были рассчитаны показатели детерминации (находятся в диапазоне от 33% до 71 %) и эластичности (видоизменение функции в процентах при изменении аргумента на 1 %). Рассматриваемые параметры описываются статистическим распределением и поэтому имеют ряд оценок: максимально зарегистрированное и расчетное среднее значение; повторяемость и превышение нормы. Каждое из них выступает индикатором для прогнозирования состояния среды обитания человека.
В рассматриваемой системе не установлены причинно-следственные закономерности между следующими метеопараметрами: скорость ветра (м/с), повторяемость ветра (%) при скорости 6-9 м/с, средняя скорость ветра на высоте 100 м, общая облачность (в баллах), повторяемость приземных инверсий (%) и ингредиентами: формальдегид, сероводород. Сопряженность этих метеопара-
метров с ингредиентами может происходить в интервале времени, отличающимся от календарного месяца.
Среди всех метеопараметров наиболее выражена причинная роль атмосферного давления (АД). По показателю эластичности при увеличении АД на 1% средняя месячная концентрация взвешенных веществ уменьшается на 41%, максимально разовая уменьшается на 29%, доля проб, превышающих ПДК для взвешенных веществ, уменьшается на 92%. В тоже время с увеличением АД растет среднемесячная концентрация сажи (34%).
Повышение повторяемости скорости ветра (0 -1 м/с) способствует снижению максимально разовых концентраций взвешенных веществ (эластичность -1,4%). Больше всего снижение происходит при скорости ветра 2-5 м/с. В результате этого снижается среднемесячная концентрация сажи (-2,0%), но растет среднемесячная концентрация взвешенных веществ (2,5%) и фенола (1,7%). Также увеличивается максимально разовая концентрация взвешенных веществ (1,8%) и доля проб взвешенных веществ выше ПДК (5,6%). Рост повторяемости скоростей ветра в диапазоне 10-13 м/с способствует увеличению максимально разовых концентраций диоксида серы (1,4%). При увеличении повторяемости скорости ветра 14-17 м/с снижается средняя месячная концентрация взвешенных веществ (-0,5%), но растет максимально разовая концентрация диоксида серы (1,2%). При увеличении повторяемости больших скоростей (более 18 м/с) снижается средняя месячная концентрация взвешенных веществ (-0,3%) и растет максимально разовая концентрация диоксида серы (0,7%).
Ветра на больших высотах способствуют снижению среднемесячной концентрации взвешенных веществ: на высоте 200 м - (-2,3%), на высоте 500-900 м - (-1,6%) и снижению доли проб взвешенных веществ выше ПДК на высоте 500-900 м - (-3%; -3,4%). Ветра на высоте 900 м способствуют увеличению среднемесячной концентрации сажи (1,1%).
Солнечное излучение способствует снижению средней месячной концентрации сажи (-0,96%) и росту средней месячной концентрации (1,2%) и максимально разовой (0,87%) взвешенных веществ и доли проб взвешенных веществ выше ПДК (2,8%). Высота солнца в полдень и продолжительность солнечного сияния также повторяют закономерности изменения рассмотренных концентраций, но с несколько отличающимися значениями коэффициента эластичности.
При дефиците солнечных дней снижается средняя месячная концентрация взвешенных веществ (-0,32%) и доля проб взвешенных веществ выше ПДК (0,75%). При данных метеопараметрах увеличиваются максимально разовые концентрации оксида углерода (0,43%) и диоксида серы (0,78%).
Рост суммарной солнечной радиации при ясном небе и действительных условиях облачности приводят к снижению среднемесячных концентраций сажи (-0,47%), увеличению среднемесячных (0,48-0,68%) и максимально разовых концентраций (0,32-0,39%) взвешенных веществ. В условиях облачности рост солнечной радиации приводит к увеличению доли проб выше ПДК (1,1%), увеличению среднемесячной концентрации фенола (0,36%) и снижению среднемесячной концентрации сажи (-0,47%). Создаваемый солнечной радиацией темпе-
ратурный режим приводит к увеличению загрязнения атмосферы взвешенными веществами.
При росте парциального давления водяного пара увеличивается средняя месячная концентрация взвешенных веществ (0,42%) и доля проб выше ПДК (0,91%). При росте относительной влажности воздуха снижаются загрязнение атмосферного воздуха взвешенными веществами: средние концентрации на 2,8%, максимально разовые на 2,4% и доля проб выше ПДК на 6,5. В данных метеоусловиях растут среднемесячные концентрации сажи (2,5%). При увеличении количества осадков (мм) на 1% уменьшаются среднесуточные концентрации сероуглерода на 2,3%, окиси азота на 0,73% и максимально разовые соответственно на 3,2% и 1,5%.
В увеличении загрязнения максимально разовыми концентрациями взвешенных веществ играет роль нижняя (менее 2 км) облачность (0,7%). С увеличением нижней облачности снижается среднемесячная концентрация сероуглерода (-1,8%) и диоксида серы (-3,6%).
Для оценки устойчивости погоды (ясной или пасмурной) рассчитывают коэффициент как отношение числа ясных (пасмурных) дней к повторяемости ясного (пасмурного) неба. Коэффициент устойчивости ясной погоды в г. Барнауле (%) имеет минимальное значение в декабре и максимальное в феврале. Рост этого параметра приводит к снижению максимально разовых концентраций диоксида серы (-7,3%), оксида углерода (-4,7%) и увеличению сероуглерода (9,2%). Рост коэффициента устойчивости неясной погоды приводит к увеличению максимально разовых концентраций диоксида азота (1,4%).
Рост числа дней с туманами обуславливает увеличение загрязнения воздуха среднемесячными концентрациями сажи (0,51%) и снижение доли проб фенола выше ПДК. Наблюдается снижение средних (-0,54%), максимально разовых (-0,56%) концентраций и превышения доли проб ПДК (-1,3%) взвешенных веществ в дни с туманами.
Рост числа дней с метелью способствуют снижению загрязнения воздуха взвешенными веществами и увеличению максимально разовых концентраций диоксида серы (0,59%).
Рост числа дней в месяце с градом приводит к снижению среднемесячных концентраций сажи (-0,27%) и увеличению доли проб фенола выше ПДК (0,34%). Явление града способствует загрязнению воздуха взвешенными веществами.
Пыльная буря приводит к увеличению максимально разовых концентраций взвешенных веществ (0,21%).
Существенную роль и влияние на уровни загрязнения воздуха оказывают приподнятые инверсии (нижняя граница в слое до 250 м). Рост среднемесячной повторяемости таких метеорологических явлений способствует увеличению среднесуточных концентраций сероуглерода (1,5%), сажи (0,67%) и снижению доли проб фенола выше ПДК (-1,1%).
Метеозависимость загрязнения воздуха взвешенными веществами. За счет увеличения повторяемости ветра со скоростью 2-5 м/с растет загрязнение атмосферного воздуха, оцениваемого в долях проб превышающих ПДК на
5,57%; в среднемесячной концентрации на 2,41%; и максимально разовых концентрациях на 1,86%. Другим значимым метеопараметром является продолжительность светового дня. Его увеличение приводит к росту доли проб выше ПДК (2,78%), максимально разовой (0,87%) и среднесуточной (1,24%) концентрации. Следующим метеопараметром способствующим загрязнению воздуха является высота в полдень (1,65%; 0,51%; 0,72%) и продолжительность солнечного сияния (1,3%; 0,38%; 0,54%). Также рост температуры воздуха, числа дней с градом и парциального давления водяного пара способствует увеличению среднемесячных концентраций, максимально разовых взвешенных веществ и доли проб выше ПДК.
Способствуют снижению в атмосферном воздухе содержания взвешенных веществ увеличение атмосферного давления. Коэффициент эластичности для гигиенических показателей составляет: доли проб выше ПДК - 92,19%, максимально разовой - 29,19%, и среднемесячной концентрации - 41,36%. Скорость ветра на высоте 200, 500 и 900 м, а так же относительная влажность способствуют снижению: -6,65% -2,4% -2,8% соответственно. В меньшей мере очищению воздуха города способствуют туманы, число дней без солнца.
Метеозависимость загрязнения воздуха сажей. Только пять метеопараметров способствуют увеличению среднемесячной концентрации сажи. В большей мере этому способствует рост атмосферного давления (34,59%), относительная влажность воздуха (2,5%), скорость ветра на высоте 900м (1,12%), повторяемость приподнятых инверсий (0,67%), туманы (0,51%).
Снижение загрязнения воздуха сажей происходит при увеличении повторяемости ветра со скоростью 2-5 м/с (-2,0%), продолжительности светового дня (-0,96%) и солнечной активности (высоте солнца в полдень, продолжительности солнечного сияния и радиации).
Метеозависимость загрязнения воздуха оксидом углерода и фенолом. Оксид углерода в незначительной степени подвержен метеозависимости. Только гигиенический показатель максимально разовых концентраций коррелирует со следующими метеопараметрами. Число дней без солнца является причиной увеличения загрязнения данным ингредиентом (0,43%), а рост коэффициента устойчивости ясной погоды приводит к снижению загрязнения оксидом углерода (-4,67%). Метеопараметры в основном способствуют снижению загрязнения атмосферы от фенола. Так с увеличением повторяемости приподнятых инверсий на -1,11% и дней с туманами на -0,74% снижается доля проб фенола выше ПДК. Повторяемость ветра со скоростью 2-5 м/с (1,7%) и солнечная радиация в пасмурную погоду (0,36%) обуславливают увеличение среднемесячных концентраций загрязнения фенолом.
Метеозависимость загрязнения воздуха сернистыми соединениями. Загрязнение воздуха диоксидом серы по максимально разовым значениям сопряжено с ростом повторяемости ветра со скоростями от 10 до 18 и более м/с (1,4%; 0,86%) и увеличением числа дней без солнца (0,78%). Снижение загрязнения от диоксида серы происходит при росте коэффициента устойчивости ясной погоды (-7,67% для максимально разовых) и низкой облачности (-3,6% для среднемесячных). Максимально разовые концентрации сероуглерода увеличи-
ваются при росте коэффициента устойчивости ясной погоды (9,17%) и повторяемости приподнятых инверсий (1,53%) для среднемесячных значений. Снижение в атмосфере данного ингредиента происходит при увеличении количества осадков (-2,3%; -3,2%) и низкой облачности (-1,86%).
Метеозависимость загрязнения воздуха диоксидом азота. Рост количества осадков в городе приводит к снижению среднемесячных (-0,73%) и максимально разовых (-1,48%) концентраций диоксида азота. Установлена прямая зависимость между коэффициентом устойчивости пасмурной погоды (1,41%) и содержанием диоксида азота
Разнонаправленный характер действия метеорологических параметров приводит к тому, что ингредиенты длительное время находятся в атмосферном воздухе: диоксид серы 4 - 5 суток, диоксид азота от 5 сут. до 4 месяцев, оксид углерода от 100 сут. до 3 лет, сероводород 2 - 4 сут., аммиак 7 сут. [1]
В строительных нормах «Указания по расчету рассеивания в атмосфере вредных веществ (пыли и сернистого газа), содержащихся в выбросах промышленных предприятий» (СН 369-67); «Указания по расчету рассеивания в атмосфере веществ, содержащихся в выбросах предприятий» (СН 369-74) и «Методике расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» (ОНД-86) применяются следующие метеорологические параметры: оседание вредных веществ, турбулентный обмен, температурная стратификация атмосферы.
Поэтому область применения указаний по прогнозированию загрязнения ограничивалась эмпирическими закономерностями. Так СН 369-67 можно было применять для агломерационных фабрик и производств обжига окатышей черной металлургии, конверторных, мартеновских и электросталеплавильных цехов, доменного производства, серы и серной кислоты, нефтеперерабатывающих заводов и котельных. В СН 369-74 область применения, с сохранением эмпирических формул, изменилась в сторону учета аэродинамических теней и длительности застоя примесей, слабых ветров и образования туманов. ОНД-86 дополнены формулами по расчету загрязнения от линейных источников выбросов, группы зданий, на промышленной площадке. Методика предназначена для расчета приземных концентраций в двухметровом слое над поверхностью земли, а также вертикального распределение концентраций. Обязательно учитывается эффект суммации вредного действия ингредиентов.
СН и ОНД не учитывают физико-химические свойства различных ингредиентов, условия их нахождения и выведения из атмосферного воздуха. Климат носит выраженный динамический характер и не учитывается в прогнозировании загрязнения среды обитания человека.
Во всех трех указаниях (методиках) рассчитываются максимальные приземные концентрации при неблагоприятных метеорологических условиях и поэтому принято, что в качестве критерия расчетные значения не должны превышать максимально разовую предельно допустимую концентрацию (ПДКмр). Экологический подход в данном случае не учитывает лимитирующие признаки вредности. Ингредиенты имеют ПДКмр, если обладают рефлекторным действием, которое оценивается по изменениям за 20 - 30 минут. При длительном
токсическом действии уровень резорбтивного действия оценивается по среднесуточной концентрации (ПДКсс). Поэтому применение формулы о равенстве неправомерно.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Семенченко Б.А., Белов П.Н. Метеорологические аспекты охраны природной среды. - М.: МГУ, 1984. - С. 65.
© М.А. Креймер, 2013
