Физико-химические превращения в атмосфере и оценка экологического риска от выбросов промышленных объектов

Швыряев, Иван Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Физико-химические превращения в атмосфере и оценка экологического риска от выбросов промышленных объектов
ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Физико-химические превращения в атмосфере и оценка экологического риска от выбросов промышленных объектов"

На правах рукописи

Швыряев Иван Александрович

Физико-химические превращения в атмосфере и оценка экологического риска от выбросов промышленных объектов

Специальность 03.00.16 — экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва 2006

Работа выполнена на кафедре химической технологии и новых материалов химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

Кандидат химических наук,

доцент Меньшиков Валерий Викторович

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

профессор Зволинский Валентин Петрович

доктор химических наук,

профессор Петросян Валерий Самсонович

Ведущая организация -

Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина.

Защита диссертации состоится «19» декабря 2006 г. В 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.203.17 при Российском университете дружбы народов по адресу: 113093, ГСП, г. Москва, Подольское Ш., 8/5, экологический факультет РУДЫ

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета,

Доктор медицинских наук, профессор

Чижов А.Я.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема изучения антропогенного воздействия на окружающую среду является одной из важнейших комплексных задач современной экологии. Практически все важнейшие решения в области научно-технического прогресса связаны с оценкой воздействия новых технологий на безопасность экосистем и здоровье человека.

Наиболее сложным оказалось определение мер по экологической безопасности, особенно с позиций оценки риска высоких уровней загрязнения, аварий. Отсутствие надежного подхода для определения критериев экологической безопасности, прежде всего для здоровья людей, сводит на нет многие достижения научно-технического прогресса.

Рост химического загрязнения в промышленных городах делает необходимым проведение объективной оценки риска воздействия химических веществ на население.

В настоящее время методология оценки риска включена в систему управления качеством окружающей среды и здоровьем населения в Российской Федерации (совместное постановление Минздрава России и Минэкологии России от 10.11.97 № 25 и № 03-19/24-3483). Актуальность проблемы оценки риска для здравоохранения подчеркивалась на парламентских слушаниях по зонам экологического бедствия (август 1998 г.), на Коллегии Минздрава РФ "Медицинские проблемы безопасности России" (протокол № 16 от 14.09.99), в проекте национального плана действий по гигиене окружающей среды. В соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 01.08.2000 №426 "Об утверждении положения о социально-гигиеническом мониторинге" методы оценки риска вошли в качестве одного из важнейших элементов в государственную систему социально-гигиенического мониторинга.

В литературе до нашей работы не были выполнены специальные исследования, направленные на учёт физико-химических превращений загрязняющих веществ, что необходимо для снижения величины неопределённости при анализе вклада отдельных факторов риска.

В связи с этим в данной работе предпринято исследование по оценке индивидуальных уровней риска загрязнения атмосферного воздуха на примере г. Усть-Каменогорска по результатам аналитического контроля состояния воздушной среды на стационарных постах мониторинга и рассчитанным данным модели рассеивания. Проведена оценка опасности загрязнения для растений при строительстве промышленных объектов добычи и транспортировки газа в районе Бованенковского газоконденсатного месторождения.

Цель работы. Основной целью работы являлась разработка и исследование алгоритмов по оценке риска и воздействия за1рязняющих веществ на растительность от систематических выбросов предприятий, учитывающих особенности химических превращений и физико-химических процессов в атмосфере. Основные задачи исследования:

1. Проведение анализа современных подходов по оценке риска, обусловленных систематическим загрязнением атмосферы.

2. Определение значений параметров моделей, которые позволяют связать концентрацию в атмосфере и величину хронического воздействия на человека.

3. Анализ схем физико-химического поведения опасных химических веществ в атмосфере.

4. Разработка математических моделей и алгоритмов расчёта воздействия загрязнителей на население с учётом химических превращений и физико-химических процессов вымывания и осаждения с идентификацией на конкретных примерах.

5. Разработка прогностической математической модели схода неустойчивых растительных сообществ, учитывающей совместное воздействие азотсодержащих выбросов и их продуктов превращения в условиях арктической тундры при освоении газоконденсатных месторождений.

Научная новизна. Разработан алгоритм оценки дополнительного риска от опасных химических загрязнителей, учитывающий их физико-химическое поведение в атмосфере. Определены критерии выбора и параметры схем фотохимических реакций загрязняющих веществ при вычислении среднегодовых и среднесезонных концентраций, ситуаций с конкретными метеорологическими условиями.

Исследовано влияние учёта химического поведения загрязнителей в атмосфере на картину риска для здоровья населения и на характер схода растительности на локальном уровне.

Предложена модель оценки дополнительного риска на картографической основе с учётом химических превращений и физико-химических процессов вымывания и осаждения загрязняющих веществ в воздушной среде.

Произведена прогностическая оценка схода растительности северной тундры от азотсодержащих выбросов на картографической основе с учётом характера воздействия загрязняющих веществ и продуктов их превращений.

Практическая значимость исследования. Сравнительная оценка дополнительных рисков здоровью жителей выбранного региона, обусловленная систематическим загрязнением атмосферы, позволила установить наиболее проблемные для этого региона загрязнители.

Проведенные расчеты отражают количественные характеристики дополнительного ущерба здоровью от воздействия химических веществ и тенденции его формирования для исследуемой территории.

Алгоритм динамики схода растительности с учетом поэтапности введения промышленных объектов в районе Бованенковского газо-конденсатного месторождения (БГКМ) позволяет выработать оптимальную стратегию природоохранных мероприятий в процессе освоения месторождения.

Разработанные модели, алгоритмы и схемы практически реализованы в виде легко переносимого программного кода, использовать который можно во многих профильных приложениях.

Предложенная система может стать действенным инструментом для лиц, принимающих решение, при выборе наиболее оптимальных путей внедрения новых промышленных объектов.

Разработанные программные комплексы были включены в педагогический процесс по курсам "Техногенные системы и экологический риск", "Моделирование и расчёт загрязнений" и "Промышленная экология", а также успешно использовались для исследовательских работ по сравнительной оценке альтернативных способов совершенствования технологий и размещения промышленных объектов на исследуемой территории.

Защищаемые положения:

1. Комплекс математических моделей, позволяющих проводить сравнительную оценку дополнительного риска от систематического загрязнения атмосферы промышленными объектами с учётом физико-химического поведения загрязнителей в атмосфере.

2. Критерии выбора и параметры схем химических превращений загрязнителей и использование их в оценке риска.

3. Алгоритмы расчёта пространственных распределений концентраций загрязняющих веществ, полей уязвимости и полей риска.

4. Прогностическая модель схода растительности в арктической тундре при совместном воздействии азотсодержащих загрязнителей.

5. Программная реализация разработанных алгоритмов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 4 российских и 3 международных конференциях, в том числе: Международная конференция "The Second International Conference on Ecological Chemistry" (Кишинёв 2002); Международная конференция "Sixth International Symposium & Exhibition on Environmental Contamination in Central and Eastem Europe and the Commonwealth of Independent States" (Прага 2003); Всероссийская конференция "Экологическая и Промышленная Безопасность, П1 сессия школы-семинара" (Саров 2004); Всероссийская конференция "Экологическая и Промышленная Безопасность, Г/ сессия школы-семинара" (Саров 2005); Международная конференция "Управление Рисками и Устойчивое Развитие Единой Системы Газоснабжения России" (ВНИИГАЗ 2006).

Публикации. Материалы диссертации нашли отражения в 14-ти публикациях, среди которых 4 тезиса докладов, 9 печатных изданий и одна научная монография, в том числе 3 работы по списку журналов ВАК.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов. Включает 212 страниц машинописного текста, 80 рисунков, 40 таблиц, список литературы включает 96 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность темы исследований, излагаются основные положения диссертационной работы.

Первая глава включает научный обзор и анализ известных подходов оценки риска промышленных предприятий, исследований о процессах переноса загрязняющих примесей в атмосферном воздухе, работ, посвященных процессам осаждения мелкодисперсных частиц и химическим превращениям основных загрязняющих веществ, в нём также систематизируются знания о негативном воздействии поллютантов на население и экосистемы.

Изложена современная методология анализа риска, обусловленного систематическим загрязнением окружающей среды опасными химическими веществами. Дана характеристика основных этапов анализа риска: идентификация опасности; оценка зависимости "доза-эффект"; оценка экспозиции; количественная характеристика риска; анализ неопределённости полученной оценки риска.

Сложность количественной оценки последствий выбросов в значительной мере состоит в неопределенности оценки состава и концентраций вредных веществ, как исходно выброшенных, так и образующихся за счет реакций в атмосфере. Сравнение

вероятностного подхода с детерминистским к оценке риска показала преимущества для учета неопределённости и изменчивости переменных и параметров моделей.

Вторая глава посвящена объектам и методам иследования. В качестве объекта исследования воздействия ЗВ на человека был выбран промышленный район города Усть-Каменогорск республики Казахстан, по которому было собрано большое количество информации.

Оценка рисков здоровью населения в связи с загрязнением атмосферного воздуха промышленного центра проводилась на основании данных локального мониторинга по результатам аналитического контроля состояния воздушной среды на стационарных постах Госгидромета.

В ходе исследования рассчитывались следующие показатели: индивидуальный риск дополнительных случаев смерти в связи с загрязнением воздуха взвешенными веществами (РМю), канцерогенный риск, риск развития рефлекторных реакций и хронического токсического действия. Для формирования модели рассеивания на основании отчётных форм 2-ГП "Воздух" была проанализирована качественная и количественная структура выбросов загрязняющих веществ от 76 предприятий г. Усть-Каменогорск. Анализ проводился раздельно для веществ обладающих и не обладающих канцерогенным действием, рассчитывался валовый выброс по конкретному предприятию города с их последующим ранжированием. Были отобраны предприятия, занимающие приоритетные ранговые места, общий вклад которых в суммарный выброс, составил более 70%

Короткий список предприятий, обладающих канцерогенным действием представлен в табл 1. Наибольший вклад в суммарный выброс веществ вносит предприятие №2 Свинцово-цинковый комбинат (Сведения о состоянии природной среды, здоровья населения, основных загрязнителях и природоохранной деятельности в г.Усть-Каменогорске (Сборник материалов №1)).

Данные мониторинга состояния качества воздуха в г. Усть-Каменогорск, проводимые на постах Госгидромета, показаны ниже в табл.2.(Сведенья о состоянии природной среды, здоровья населения, основных загрязнителях и природоохранной деятельности в г.Усть-Каменогорске (Сборник материалов №1)).

Таблица 1

Выбросы вредных веществ (тонн/год)

Л» Производство СО пыль Б02 А5,РЬ N01 Н-Н

1 Титано-магниевы й комбинат 930 575 - - - -

2 Свинцово-цинковый комбинат 24489 1964 54602 213 - 38,9

3 Машиностроительный завод 263,1 227,5 119,1 - 58,9 14,1

4 ТЭЦ№1 1533,2 9982 7302,1 - 8863,9 -

5 ТЭЦ №2 411 2285 2093,2 - 1965,3 -

6 Конденсаторный завод 2,1 18,4 297,7 0,1 21,5 68,4

7 Завод минваты 3434,9 648,1 1564,4 - 174,4 -

Таблица 2

Измерения загрязнений воздуха в г. Усть-Каменогорск на стационарных постах Гидрометеослужбы

Средняя конц. примеси в воздухе, мг/мЗ Пост 1 Пост 4 Пост 5 Пост 7 Пост 8 Пост 11 Пост 12

Пыль 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 0,3 0,1

802 0,1345 0,114 0,101 0,263 0,156 0,093 0,097

Растворимые сульфаты 0,06 - - - - - -

СО 3 1 1 1 1 - -

N0, 0,09 0,07 0,07 0,07 0,07 - -

N0 - - 0,09 - - - -

С1 - - - 0,04 0,04 - -

РЬ 1.5 1,4 1,3 1,3 1,3 1,3 1,2

Формальдегид - - - - - - 0,01

Бенз(а)пирен - 4,5 2,7 2,6 1,5 - -

С учётом географической привязки стационарных постов наблюдения наибольшая нагрузка загрязнителей приходится на центральные и северо-восточные районы города.

Распределение риска, связанного с респираторным воздействием взвешенных частиц и воздействием канцерогенных загрязнителей, представлен в таблицах, приведённых ниже.

Таблица 3

Расчёт индивидуального риска дополнительных случаев смерти в связи с загрязнением взвешенными частицами РМю

Показатели Пост 1 Пост 4 Пост 5 Пост 7 Пост 8 Пост 11 Пост 12

Пыль, (мг/м3) 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 0,3 0,1

ПДКмр, (мг/м3) 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

УСС 0,00015 0,00015 0,00015 0,00015 0,00015 0,00015 0,00015

РМ,о 0,18 0,18 0,18 0,12 0,12 0,18 0,06

К 2,7-10"5 2,7-10'5 2,7-10° 1,8-10° 1,8-10° 2,7-10° 0,9-10°

Таблица 4

Расчёт индивидуального канцерогенного риска по данным постов Гидромета

Риск, 1/год Пост 1 Пост 4 Пост 5 Пост 7 Пост8 Пост 11 Пост 12

РЬ 1,76-10"6 1,64-10"4 1,52-10"* 1,52-10"6 1,52-10"® 1,52-10"® 1,40-10"6

Формальдегид - - - - - - 1,28-10"'

Бенз(а)пирен - 7,86-Ю"6 4,71-10"* 4,54-10"4 2,62-10"6 - -

Для исследования воздействия выбросов промышленных объектов на природную среду выбрана территория Бованенковского газоконденсатного месторождения, растительные сообщества которого чувствительны к выпадениям кислых и азотсодержащих соединений. По данным комплексного проекта разработки Бованенковского ГКМ газ и газоконденсат месторождения имеют следующий состав (табл.5).

Таблица 5

Состав газа и конденсата Бованенковского ГКМ

Параметр Сеноман,% по объему Неоком-юра, % по объему

тпм тп16.,7

Метан 99,04 96,37 90,918

Этан 0,028 2,89 5,015

Пропан 0,007 0,05 1,710

Двуокись углерода 0,063 0,22 0,307

Азот 0,65 0,43 0,016

Бутан 0,744

Плотность кг/м3 0,674 0,690 0,782

Строительство Бованенковского газодобывающего комплекса предполагается в западной части полуострова Ямал на территории Ямальского района Ямало-Ненецкого автономного округа Тюменской области. Планируется постройка трёх крупных газодобывающих объектов в северной, центральной и южной частях месторождения.

Предполагается бурение 751 скважин, сгруппированных в 56 кустах: в северной зоне в 22 кустах - 300 скважин, в южной зоне в 34 кустах - 451 скважина-

Таблица б

Выбросы основных загрязнителей основными промышленными объектами

Источник выброса NOj, г/с СО, г/с

Источники теплоснабжения

Котельная ДЕ-25-14ГМ с б-ю котл. 2,89

Котельная ДЕ-10-14ГМ с 3-мя котл. 1,54' 5,38

Котельная ДЕ-2-14ГМ с 4-ю котл. 1,93

Электростанции

Эл. станций Г1АЭС-2500 0,36 1,10

Газоперекачивающие агрегаты

ГПА-Ц-16Л/100-2,2 0,39 30,9

С учётом автомобильного транспорта общий выброс оксидов азота может достигать до 0,5 кг/с.

Климат района субарктический: зима продолжительная с сильными морозами, лето, холодное и прохладное с частыми ночными заморозками. Подзона арктической тундры характеризуется господством моховых и мохово-лишайниковых сообществ с бедным флористическим составом, пятнистым растительным покровом приуроченных к дренированным участкам поверхности. Экологические и метеорологические характеристики этого региона были учтены в дальнейших расчётах, описываемых в следующих главах.

В третьей главе представлены используемые расчётные модели и структура разработанного программного средства.

Важнейшей экологической проблемой атмосферной химии является образование фотохимического смога. При анализе экологического риска в промышленных регионах таким ситуациям уделяется особое внимание, поскольку данные ситуации имеют наибольший вклад в риск. Снижение неопределённости в расчётах воздействия фотохимического смога достигается сложных схем химических превращений, учитывающих такие параметры как температура и солнечная активность.

Одним из наиболее изученых является механизм образования фотохимического смога FSM, который был применён в данной работе (Bauich D.L., Bower М., Malcora D.G. et.al.,1986). Механизм FSM - групповой, т.е. в нем органические соединения, близкие по строению или реактивности, объединены в соответствующие шесть классов: алканы (ALK), этилен, высшие олефины (ALE) муравьиный альдегид, высшие альдегиды (RCHO)

и ароматические (АШЭ).Для каждого класса органических соединений выбраны усредненные кинетические константы соответствующих реакций с -ОН, =0 и др., которые используются в расчетах с использованием этого механизма (более 90 реакций).

АКСНз — сн2о

яенгг—

время 12000 сек

Изменение концентрации альдегидов и непредельных углеводородов.

время

Изменение во времени концентраций спиртов, гидроперекисей и РАМ.

Рис. 1. Зависимость концентрации реагирующих органических веществ от времени.

При моделировании шлейфа концентраций загрязняющих веществ находящихся в приземном слое, было отдано предпочтение методике ЕЗСБТЗ (ЕРА, 1997), поскольку методика ОНД86 не может быть использована для дальнейшего вычисления среднегодовых параметров.

В расчётах шлейфовых концентраций в приземном слое использовалась формула:

С{х,у) = 6 • • ■

2ттусгги 2сГу 07

где - мощность источника (г/с), ау, аг - дисперсионные параметры, зависящие от устойчивости атмосферы (м) и расстояния от источника "х", С/ - скорость ветра (м/с), Н— высота источника (м), х, у — координаты, д: = СЛ, сту и аг были взяты по Пасквиллу -Грифитсу по Тернеру для городской застройки.

Производился расчёт концентраций загрязняющих веществ в приземном слое в разрезе года. Была использована 8 румбовая схема розы ветров. Для получения более приемлемого времени расчёта потребовалось разработать алгоритм вычисления среднегодовых параметров отличный от метода Монте-Карло:

4-е_

-- елгл--

ТТ ^ 1г.,

н2

г, в - полярная система координат, Ру/ - вероятность реализации ветра со скоростью С// ,м/с, в соответствующем секторе М-румбовой схемы, Рк(и0 — вероятность реализации определенного класса устойчивости атмосферы при определённой скорости ветра.

Для целей прогнозирования в работе использованы балансовые схемы превращения загрязнителей, которые уточнялись по экспериментальным данным мониторинга кислых осадков и их химического состава.

Для азот- и серосодержащих загрязняющих веществ для использования в программе (И-оБР) было отдано предпочтение двум схемам. ' Схема превращений для азотсодержащих соединений:

я-гго,

К4 = 0,01

К, = 0,8 К, = 0,01

N0,

К3 = 0,025 К6 = 0,12

Кв = 0,0/0 ЮЮ, -- МеМЭ,

К5 = 0,01

К4. = 0,01

К„ = 0,01

К7 = 0,012

К7. = 0.02

- константы скорости, [час-1]

В данной схеме каждая стадия описывается кинетикой первого порядка. После решения системы уравнений (начальными мольными долями N02 - 0,05, N0 — 0,95) были получены следующие зависимости, приведённые на рис.1 для каждого элемента в отдельности и на рис.2 для суммы оксидов азота и азотной кислоты.

Рис. 2. Зависимость мольной доли реагирующих веществ от времени.

Время (ч)

Рис. 3. Зависимость мольной доли ГОГОз и суммы N0 с N02 от времени в шлейфе выброса.

Схема превращений для серосодержащих соединений:

К3 = 0,1 К6 — (1,02

БО,

К, = 0,03

К4 = 0,12 К2 = 0,025

К; = 0,03

\ieSO,

К7 = 0,01

Кя = 0,03

Кп - константы скорости, [час*1]

В этой схеме каждая стадия, также как и в случае азотсодержащих соединений, описывается кинетикой первого порядка.

Полученные зависимости вносят поправку в уравнения вычисления концентраций в шлейфе и среднегодовых концентраций для азот- и серосодержащих веществ. В этом случае используется следующие методы расчёта шлейфовой концентрации в приземном

Ч О Нх/и) . у2 л , Н\ 2ягсгсгхи 2 Сту сгг

И для среднегодовой концентрации:

с(х,У) = с{г,в) = £р\црк-

2-д-ЛхШ) ,

Следует отметь, что в результате фотохимических реакций загрязняющих веществ могут образоваться мелкодисперсные частицы, что приводит к увеличению концентрации РМ2-10 в атмосфере.

Предложенный алгоритм позволяет определить особенности территориального распределения продуктов фотохимических превращений. Это позволяет создавать прогнозные карты специфических загрязнителей, образующихся в процессе реакций первичных загрязнителей, таких как азотная кислота, пероксиацетилнитрат (ПАН), серная кислота, сульфаты, озон и пр.. Эти карты вероятного среднегодового распределения загрязнителей в воздухе промышленного региона, могут давать картину возможных заболеваний населения в зависимости от характера воздействия образовавшегося соединения.

В расчётной модели для прогнозирования возможного осаждения на подстилающую поверхность загрязняющих веществ в течение года считалось, что процессы сухого и мокрого осаждения идут из всего подоблачного слоя, с некоторой константой X. Поэтому использовалась следующая формула:

На этой математической основе можно производить построение поля концентраций накопленных загрязняющих веществ в течение года.

Параметр Хг вычисляется следующим образом Хг = 31536000-Х, где X — константа осаждения либо сухого, либо мокрого, 31536000 - количество секунд в году. Вычислить X можно так же и с помощью кинетической модели.

Пользуясь методом Л = v/H , где Н - высота слоя перемешивания Н = 1500м, получаем следующие значения для констант сухого осаждения для газов NOx и SO2: v(NOx) « 0,2 см/с, v(S02) * 0,8 см/с, следовательно ¿(NOx) » 1,3-Ю*6 (с"1), A(SCh) « 5,3-Ю"6 (С1)-

При использовании кинетических моделей, Я находится как производная по доле осаждённого вещества в данном промежутке времени:

X - dxJdt

Для вычисления констант сухого осаждения были использованы следующие данные (рис.4).

Рис. 4. Зависимость производной мольной доли осаждённых веществ по времени.

Вычисляя среднее арифметическое рассчитанных значений производной по времени,получаем:

Л(ЫОх) « 3,03-10"6 (с'1), ¿(БОг) » 3,43-10"6 (с'1).

Константы мокрого осаждения - вымывания также рассчитывались двумя способами. В пересчёте на годовое количество осадков Усть-Каменогорского промышленного региона константы вымывания вычислены следующие: Л(ГТОХ) » 1,01-Ю"6 (с'1), ДБОг)» 1,01-Ю"6 (с'1).

Проводя вычисления аналогичные случаю сухого осаждения, эти же константы вымывания были найдены из кинетической модели:

А(ИОх) « 2,45-10"6 (с1), АСБОг) « 2,54-10"6 (с'1).

Сравнивая данные по двум различным методам, видно что вычисленные константы одного порядка. Таким образом, макрокинетическую модель можно также использовать и для процессов мокрого и сухого осаждения.

Исходя из значений среднегодовых концентраций С«, вычислялся риск Л. Для расчётов была использована следующая формула:

где К - коэффициент риска того или иного вещества [(мкг/м3)-год]"': N0* - 1.1-10"7, БОг -2-Ю"8, СО - 1-10"9,Ш1 - МО"6, ЯС1 - МО"6, пыль - 1.5-10"7, хлорвинил,- 3-10"5.

Сравнительная оценка дополнительных рисков здоровью жителей выбранного региона, обусловленная систематическим загрязнением атмосферы, выполненная на основе неполного массива необходимых эмпирических данных, тем не менее, позволила оценить их наиболее вероятные значения и установить наиболее проблемные для этого региона загрязнители.

Разработанные методики построения среднегодовых концентраций легли в основу расчётов схода растительности в другом регионе - в районе БГКМ. Растительный мир БГКМ выполняет весьма важную функцию по сохранению вечной мерзлоты от растепления. При этом наиболее важными являются сообщества мхов и лишайников, образующих планарную поверхностную структуру, которая играет роль теплоизолятора.

Негативное воздействие на растительный покров окислов азота и продуктов его фотохимических превращений в разной степени угнетает различные виды растительности. Более того, экспериментально замечено, что угнетение одних видов растительности зачастую приводит к изменению баланса в растительном сообществе, состоящем из различных видов. В результате увеличивается доля более стойких к загрязнителям растений.

Линейная функция "доза-эффект" достаточно хорошо описывает характер воздействия концентрационных нагрузок на растительность, поэтому она использовалась в данной работе. Т.е. для описания динамики деградации растительных сообществ было сделано допущение о том, что доля поражения (/) данной группы растительности прямо пропорциональна превышению среднесезонной (летний период) концентрации (С) загрязнителя (двуокиси азота) критических значений.

Таким образом, была взята линейная зависимость функции "доза - эффект":

/= 0, если С < С/ /= (С - С,)/(С2 - СО, если С, <С<С2 /= 1, если С>С2

Как правило, балансовые методы использовали в качестве критерия - биомассу, в нашем случае представляет интерес не биомасса, а покрытие территории.

Динамика восстановления растительного покрова описывалась на основе сделанных предположений в следующем виде:

= к/ - Б если С < 0,01 мг/м куб.

¿32Ш = к2 -Я- <18¡Ш если С< 0,04 мг/м куб.

сйУЛ = к3 ■ Б - ОБ ¡/Ж - йБ2М1 если С < 0,10 мг/м куб. где: Б - доля незанятой растительными сообществами площади, йБ^ск — изменение доли площади, занятой п-ой группой, кп, — скорости зарастания.

Скорости зарастания были оценены как 0.125, 0.1, 0.083 Угод соответственно, что предполагает использование определенных методов стимулирования роста растительности на нарушенных ландшафтах.

В отличие от средней полосы для региона Ямала характерно специфическое поведение загрязнителей в атмосфере, связанное с влиянием различных фото- и физико-химических превращений, поскольку в зимний период солнечная радиация практически отсутствует, а в летний активность фотохимических реакций крайне высока. Более того формирование в результате таких процессов озоновых дыр приводит к увеличению доли ультрафиолетового излучения в общем спектре падающего излучения, что интенсифицируем рассматриваемые процессы.

В связи с этим представляется важным рассмотреть возможные реакции загрязнителей в атмосфере, и в первую очередь для летнего периода вегетации флоры региона.

Для проведения анализа нами использовались экспериментальные данные и методики оценки, принятые в США. На основе данных о структуре систематических выбросов и фоновых значений концентраций различных веществ рассматривались в основном углеводородные циклы и циклы превращения окислов азота (рис. 5).

Рис. 5. Изменение во времени концентраций атмосферных загрязнителей в случае региона

полуострова Ямал..

Изученные экспериментальные данные показали, что в случае полуострова Ямал критических кислотные и азотные нагрузки на растительные экосистемы находятся на одном уровне, поэтому для расчёта воздействия азотной кислоты на растительные сообщества применялась та же функция "доза-эффект", как и в случае оксидов азота. Механизм воздействия азотных и кислотных нагрузок на растительность различен. В одном случае, вредное влияние происходит путём прямого действии на ассимиляционный аппарат, в другом случае происходит — путём косвенного воздействия через почву. Независимость воздействия загрязнителей, даёт возможность оценить совместное воздействие как суммарный эффект, что и показано на рис. 5.

а) б)

. ВО

Й 70

6 « О- 30

/ ^О,

•ЛяейсУ»

! :

4000 вооо аооо время, с

«по оооо аооо время, с

Рис. 6. Изменение воздействия на чувствительную растительность смеси загрязнителей с течением времени, изначальная концентрация оксидов азота а)С(ЫОх)= 0,04 мг/м3 и б) С(ЫОх)= 0,012 мг/м3.

В итоге воздействие на растительность может быть описано функцией Е(Сц-,0 от двух параметров: начальной концентрации азотсодержащих соединений, и времени.

Построения среднегодового воздействия на неустойчивые растительные сообщества, представляется следующим образом:

= Е{г,в) - ,ЦЬ(Р. . ])

Из предложенного алгоритма становится ясно, что на различном удалении от источника механизм воздействия массы загрязнителей будет различаться. На местах близких к источнику будет преобладать воздействие диоксида азота, а на удалённых территориях - кислотной составляющей. При штилевых условиях (скорость ветра около 1 м/с) в ряде случаев предложенная модель показывает снижение негативного воздействия на расстояниях 5-6 километрах от источника. Это связано с тем, что данная кислота имеет преимущественное воздействие по кислотному фактору. Эти аспекты требуют дальнейшего изучения, для получения дополнительной информации.

В качестве среды разработки выбрана системы C++Builder фирмы Borland, позволяющая быстро и качественно разрабатывать программы с развитым интерфейсом, а также удобно взаимодействовать с базами данных. Эта среда разработки относится к семейству RAD (Rapid Application Development - Быстрая Разработка Приложений). Выбор именно этого пакета обусловлен также легкостью взаимодействия и интеграции с другими программами, разработанными программистами лаборатории в среде Borland Delphi. Конкретно, для разработки использовалась версия среды C++Builder 6.0, как наиболее современная на момент начала разработки.

В четвёртой главе приведены результаты расчётов и анализ рассчитанных показателей.

Нами проведена оценка индивидуальных уровней риска загрязнения атмосферного воздуха в г. Усть-Каменогорск по расчётным данным созданной программной системы.

Моделирование экологической ситуации в для промышленного региона проводилось на сетке 101x101 элемент со стороной элемента 203,2 м.

Моделирование процессов переноса загрязняющих веществ в атмосфере показало, что концентрация их в приземном слое в непосредственной близости (<1км) обратно экспоненциально зависит от его высоты. Но на расстоянии более 3 километров от источника концентрация уже мало зависит от этого параметра. На положение и на

значение максимума концентрации во много влияет устойчивость атмосферы. Для классов А, В, С при вычислении концентрации по оси шлейфа значения максимумов концентраций выше, а положение ближе к источнику, чем для остальных классов устойчивости О, Е, Р. Концентрация в приземном слое обратно зависит от скорости ветра.

Вычисление максимума среднегодовой концентрации показало, что он также обратно экспоненциально зависит от высоты источника. Средне значение среднегодовой концентрации зависит от высоты уже линейно: чем выше труба, тем меньше концентрация.

Для учёта физико-химического поведения загрязнителей в атмосфере были изучены несколько схем фотохимических превращений.

При расчётах осаждения загрязняющих веществ с применением кинетических моделей, было найдено, что скорость сухого и мокрого осаждения можно принять постоянной. При вычислении различными методами констант этих процессов оказалось, что полученные значения имеют один порядок. Был сделан вывод, что кинетические модели можно также использовать для вычисления процессов осаждения и вымывания.

Одной из важных характеристик для вычисления риска наряду со структурой выбросов предприятия является его положение относительно мест проживания населения, не только по причине рассеивания шлейфов, но и по причине фотохимических превращений загрязнителей.

Некоторые результаты моделирования рассеивания и вероятности развития хронического действия в г. Усть-Каменогорск обусловлены следующими загрязняющими веществами: диоксидом серы, диоксидом азота, оксидом углерода, взвешенными веществами и формальдегидом.

В результате моделирования рассеивания загрязняющих веществ обладающих рефлекторным и резобтивным действием установлено, что их среднегодовые концентрации в воздухе жилой зоны находятся в пределах гигиенических нормативов и не формируют существенного риска для здоровья населения. Оценка была дана при расчёте коэффициентов суммарного действия для различных групп веществ: БОг + N02; свинец и его соединения + диоксид серы. Некоторые результаты моделирования показывают, что наиболее загрязнение взвешенными частицами происходит в районах расположенных на северо-западе города от предприятий: свинцово-цинковый комбинат и ТЭЦ-№1, тогда как в остальных районах уровень загрязнения был в 2-2,5 раза ниже. Содержание в воздухе фракций РМю получаем рассчитанным путём РМю = ТБР О.б. Состояние атмосферного воздуха в жёлтом районе определяет высокий уровень риска дополнительных случаев

смерти - 2,0-10"5, тогда как в других районах он находится в интервале от 3,0-10"6 до 1,0-10'5, что удовлетворительно соотносится с расчётами по Данным Госкомстата.

Таблица 8

Рассчитанные показатели риска развития хронического действия

Условные районы

I П Ш

Загрязнители Ссг, мкг/м* Юэк, 1/год Сс г , мкг/м"* Швк, 1/год Сс г., мкг/м3 Шэк, 1/год

Б02 и продукты превращений 61,7 1.2Е-06 77,3 1.5Е-06 39,6 7.9Е-07

Ь'Ох и продукты фотохимических превращений 15,1 1.7Е-06 20,1 2ДЕ-06 6,0 6,6Е-07

СО 27,1 2,7Е-08 36,5 3.7Е-08 18,6 1,9Е-08

РМ,0 = Т8Р 0,6 18,1 4.5Е-06 21,5 5.4Е-06 7,8 2,0Е-06

РЬ и его соединения 1,3 1.3Е-06 1,0 1,0Е-06 0,6 5.6Е-07

- Условные районы

IV V VI

Загрязнители Сс.г, МКГ/М* Р^к, 1/год Ссг., мкг/м"1 Шэк, 1/год Сс.г, мкг/м"1 Швк, 1/год

Б02 и продукты превращений 47,8 9.6Е-07 136,8 2.7Е-06 34,4 6.9Е-07

Ь'Ох и продукты фотохимических превращений 11,8 1,ЗЕ-06 46,5 5.1Е-06 5,8 6.4Е-07

СО 23,0 2,ЗЕ-08 56,4 5.6Е-08 18,2 1.8Е-08

РМ|0 = Т8Р 0,6 12,8 3.2Е-06 41,9 1.0Е-05 6,8 1.7Е-06

РЬ и его соединения 0,6 5.5Е-07 1,5 1.5Е-06 0,3 3,1Е-07

Расчёт индивидуального риска дополнительных случаев загрязнением атмосферного воздуха взвешенными веществами программного комплекса.

Таблица 9

Рассчитанные показатели риска воздействия РМ10

Показатели Условные районы

I и Ш IV V VI

ТБР, мкг/м"* 30,19 35,90 13,02 21,40 69,79 11,30

РМ|0, мкг/м"1 18,11 21,54 7,81 12,84 41,87 6,78

Шяк^а, 1/год 4.5Е-06 5.4Е-06 2.0Е-06 3.2Е-06 1.0Е-05 1.7Е-06

КЬкрор, чел/год 0,41 0,32 0,20 0,16 0,42 0,10

Некоторые результаты моделирования рассеивания и вероятности развития злокачественной патологии у населения рассчитывались по выбросам ароматических органических соединений на примере бензола. Уровень дополнительного риска в рассматриваемых районах, находится в допустимых пределах, хотя дальнейшие исследования по выбросам сажи с выбранных предприятий может показать довольно значительный уровень риска от выбросов бенз(а)прирена в атмосферу. Данное

смерта в связи с РМ10 по данным

заключение следует из данных мониторинга Госгидромета по показателям постов (с 4 по 8).

Полученные данные показали, что наибольший вклад «87.5% вносят предприятие №4 (ТЭЦ-№1) и предприятие №2 (свинцово-цинковый комбинат). Несмотря на то, что мощность выброса от ТЭЦ-№1 составляет »35% от выбросов комбината, вклад его в общий риск на «23% больше, что связано с такими параметрами как высота выброса и его местоположение.

Рис.7. Распределение риска от загрязнителей по районам.

Основной вклад из всех компонент выбросов в коллективный риск для рассматриваемого города вносит пыль, далее располагаются оксиды азота, диоксид серы и свинец и его соединения. Следует отметить, что при использовании нормативно-детерминистического подхода, доминирующим воздействием, в данной ситуации по параметрам выброса и ПДК обладали бы серосодержащие компоненты, а не мелкодисперсные частицы и канцерогенные соединения.

Таким образом, в данном исследовании выявлены наиболее опасные токсикологические компоненты промышленных выбросов в атмосферный воздух города Усть-Каменогорск, установлены вклады конкретных веществ в суммарную токсикологическую нагрузку атмосферных загрязнителей на население города, проведена сравнительная оценка суммарного риска на здоровье населения всех шести районов.

Оценка сходимости рассчитанных рисков с использованием данных методов анализа показала сопоставимость с известными статистическими данными.

Прогноз схода растительности при освоении БГКМ, производился на основе расчётов тех же программных приложений, но адаптированных под новую задачу.

Моделирование схода растительности проводилось на сетке 90x101 элемент со стороной элемента 413,842 м. Размер картографической основы 37245x41798 м.

В соответствии с расположением геоботанических контуров вся территория была разделена на 5 типов сообществ по уровню их устойчивости к загрязнению атмосферы. Для этих сообществ характерны следующие доли различных растений:

Таблица 10

Доля видов растительности в сообществах

Тип сообщества Мхи Лишайники Злаковые

крайне неустойчивые 0.7 0.25 0.05

средне неустойчивые 0.65 0.25 0.1

неустойчивые 0.5 0.35 0.15

слабо устойчивые 0.4 0.45 0.15

устойчивые 0.3 0.45 0.25

Для трех типов растительности в модели определены следующие пределы концентраций (Мониторинг биоты полуострова Ямал в связи с развитием добычи и транспортировки газа. Екатеринбург, 1997):

Таблица 11

Параметры зависимости "доза - эффект" для различных видов растительности

Тип растительности Критические концентрации,мг/м3

Начало схода 100% сход

Мхи 0.005 0.04

Лишайники 0.04 0.1

Злаковые 0.1 0.4

Было произведено 8 вариантов расчётов схода растительности, в которых варьировались такие параметры как: время прорастания злаковых растений (наиболее устойчивых к нагрузкам), годовая задержка всходов, проведение биорекультевации (учёт возможных действий, направленных на улучшение экологической обстановки).

Рис.8. Динамика схода растительного покрова для' базового варианта освоения БГКМ.

10 15 20

Время эксплуатации, лет

Было отмечено, что для всех вариантов основные этапы схода практически идентичны. Они характеризуется довольно резким сокращением территорий покрытых мхами в первый момент после ввода производственных мощностей. На освободившиеся территории распространяются лишайники более устойчивые к нагрузкам по азоту и устойчивые злаковые растения. Зарастание площадей, на которых сошла растительность, на первоначальных стадиях освоения, будет сильно отставать от скорости схода. Поэтому площади схода растительности будут быстро увеличиваться, достигнув своего максимума на 20 - 25 год освоения. Далее рост непокрытых площадей будет уменьшаться, т.к. близлежащие территории зарастают устойчивыми группами, а действие загрязнителей на более удалённые территории не столь интенсивное, сход на них не прогнозируется.

Оценка неопределённости приведённых расчётов показала, что вычисляемые значения могут иметь большое отклонение. Основной вклад в величину ошибки вносит погрешность функции "доза-эффект", на долю которой приходится около 66%.

Основные результаты и выводы

1. Разработана модель построения полей концентраций с учетом физико-химических процессов и химических превращений загрязнителей в атмосфере при создании алгоритмов оценки дополнительного риска от систематических выбросов.

2. Определены значения параметров моделей, которые позволяют связать концентрации опасных химических веществ и величину хронического воздействия.

3. Алгоритм по оценке дополнительного риска хронического воздействия был идентифицирован для трёх районов г. Усть-Каменогорск. Это позволило провести сравнительную оценку воздействия химических веществ на здоровье населения и рекомендовать этот подход для ранжирования источников опасности.

4. Сравнительная оценка дополнительных рисков здоровью жителей исследуемого региона позволила установить, что наибольшую угрозу для здоровья людей представляют факторы риска от загрязнения воздуха мелкодисперсной пылью.

5. Разработан алгоритм дополнительного риска на картографической основе с учётом химических превращений и физико-химических процессов вымывания и осаждения загрязняющих веществ в воздушной среде. Проведена количественная оценка популяционного риска для здоровья населения в зависимости от его распределения по территории и объёмов выбросов.

6. Разработана модель, учитывающая химическое поведение оксидов азота в атмосфере, и установлена зависимость степени схода растительности на локальном уровне.

'7. Модели воздействия загрязнителей на объекты биоты могут быть использованы для оценки динамики схода растительности в районе Бованенковского газо-конденсатного месторождения для выработки оптимальной стратегии природоохранных мероприятий в процессе освоения месторождения с учетом последовательности введения промышленных объектов.

8. Разработанная система может стать действенным инструментом для лиц, принимающих решение, при выборе наиболее оптимальных путей внедрения новых промышленных объектов в уже существующую систему, как промышленных и социальных инфраструктур, так и природных сообществ.

Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в следующих работах;

1. Швыряев И.А. Особенности региональной оценки риска на примере города Усть-Каменогорск/Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2002", секция Химия, том 1, 9-12 апреля, 2002 г. с 138.

2. Shvyryaev I.A., Menshikov V.V. Regional Risk Estimation Taking into Account Chemical Processes in the Atmosphere/The Second International Conference on Ecological Chemistry. Abstracts. October 11-12, 2002. Chisinau.Stinta, 2002, p.145-146.

3. Shvyryaev I.A.,' Menshikov V.V. Regional Risk Estimation Taking into Account Chemical Processes in the Atmosphere/The Second International Conference on Ecological Chemistry. Advance and prospects of ecological chemistry. Conference proceedings. October 11-12,2002. Chisinau.Stinta, 2002, p.143-148.

4. Швыряев И.А., Меньшиков B.B. Региональная оценка риска с учётом вторичных процессов загрязнителей в атмосфере/ Revija rada, godina ХХХП, 305/2002, ZaStita press, Beograd, 159-164.

5. Швыряев И.А. Оценка воздействия систематических загрязнений на природные ландшафты северной • Арктики/ Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2003", секция Химия, том 2,15-18 апреля, 2003 г. с 339.

6. Shvyryaev I.A., Menshikov V.V. Regional Risk Estimation Taking into Account Chemical Processes in the Atmosphere/ Sixth International Symposium & Exhibition on Environmental Contamination in Central and Eastern Europe and the Commonwealth of

... Independent States, 1-4 September 2003, Prague, Czech Republic, p 180.

7. Швыряев И.А., Меньшиков В.В. Создание алгоритма для сравнительной оценки риска от систематических выбросов предприятий/ Экологическая и промышленная безопасность: Сб. материалов Ш сессии школы-семинара Саров: ФГУП РФ ЯЦ -ВНИИ ЭФ, 2004,220-227.

8. Швыряев И.А., Меньшиков В.В. Оценка уровня нагрузки на ландшафт от выбросов компрессорных станций/ ArpoXXI.-2004/2005.-№1 с 21-25.

9. Швыряев И.А., Меньшиков В.В. Разработка алгоритма и программного средства для оценки воздействия систематических выбросов предприятий на население в регионе/ Влияние природных и антропогенных факторов на социоэкосистемы. Вып. III. Под. ред. проф. A.A. Ляпкало. - Рязань, 2005, сс. 303-313.

10. Швыряев И.А., Меньшиков В.В. Оценка воздействия выбросов компрессорных станций на растительность северных регионов/ Экологическая и промышленная безопасность: Сб. материалов IV сессии школы-семинара Саров: ФГУП РФ ЯЦ -ВНИИ ЭФ, 2005, сс. 141-150.

11. Мугтасимов A.B., Меньшиков В.В., Швыряев И.А. Установление норм воздействия промышленных объектов в регионе с применением методологии анализа риска/ Экологическая и промышленная безопасность: Сб. материалов IV сессии школы-семинара Саров: ФГУП РФ ЯЦ - ВНИИ ЭФ, 2005, сс. 129-134.

12. Меньшиков В.В., Швыряев И.А., Проблемы анализа риска для населения и окружающей среды при загрязнении атмосферного воздуха - М.: Изд-во МГУ, 2004.-202 с.

13. Швыряев И.А., Меньшиков В.В., Алгоритм сравнительной оценки риска от выбросов промышленных предприятий,- Вестник РУДН, Экология и безопасность жизнедеятельности, №1 (14), 2006, сс. 5-13.

14. Швыряев И.А., Оценка воздействия продуктов превращений выбросов компрессорных станций на природные объекты крайнего севера, - Вестник РУДН, Экология и безопасность жизнедеятельности, №1 (14), 2006, сс. 14-22.

Швыряев Иван Александрович Физико-химические превращения в атмосфере и оценка экологического риска от выбросов промышленных объектов

В диссертационной работе разработан алгоритм оценки дополнительного риска от опасных химических загрязнителей, учитывающий их физико-химическое поведение в атмосфере.

Определены критерии выбора и параметры схем фотохимических реакций загрязняющих веществ при вычислении среднегодовых концентраций, ситуаций с конкретными метеорологическими условиями, при расчёте величины хронического воздействия на человека.

Произведена прогностическая оценка схода растительности северной тундры от азотсодержащих выбросов и продуктов их превращений с учётом поэтапности ввода мощностей газотранспортной промышленности и возможностью проведения природоохранных предприятий по снижению негативных последствий.

Algorithm of additional risk evaluation from dangerous chemical pollutants taking into account physical-chemical behavior in atmosphere was developed.

Criteria of selection and parameters of photochemical reactions schemes of pollutant for using in calculations of year-average concentration and concentration for concrete meteorological situation used in value of chronic effect on human calculation were determined.

Model of additional risk estimation on a cartographical basis accounting chemical transformation and physical-chemical processes of wet deposition and sedimentation was suggested.

Forecasting evaluation of vegetations degradation of north tundra area caused by nitrogen oxides and its reactions products was carried out with account of stepwise growth of a new gas-transporting facilities and possibility of environment-oriented works to decrease negative aftermath.

Shvyryaev Ivan Alexandrovich Physical-chemical transformations in atmosphere and ecological risk evaluation cause by waste of industrial objects

Подписано в печать 200<5года. Заказ N2 «2(5*.

Формат 60x90/!6. Усл. печ. л. . Тираж /О¿У экз. Отпечатано на ризографе в отделе оперативной печати и информации Химического факультета МГУ.

Содержание диссертации, кандидата химических наук, Швыряев, Иван Александрович

Введение

1 Современные подходы анализа риска

1.1 Методология анализа риска

1.2 Основные элементы процедуры оценки риска.

1.2.1 Идентификация опасности.

1.2.2 Оценка воздействующих доз.

1.2.3 Оценка зависимости "Доза - эффект".

1.2.4 Характеристика риска.

1.2.5 Учет неопределенностей при оценке риска.

1.2.6 Представление значений оценок риска.

1.2.7 Неопределенность, чувствительность и важность.

Учет потенциальных вкладов в общую неопределенность.

1.2.8 Сокращение продолжительности жизни.

1.2.9 Сравнительный анализ рисков.

1.3 Моделирование поведения и распространения химических веществ в воздушной среде

1.3.1 Общие положения.;.

1.3.2 Процессы переноса.

1.3.3 Характеристика процессов осаждения.

1.3.4 Характеристика процессов превращения.

1.3.5 Прогнозирование среднегодовых концентраций.

1.4 Характеристика негативного воздействия загрязняющих веществ на человека и среду

1.4.1 Оценка Зависимости "доза - эффект" при оценке риска для здоровья.

1.4.1.1 Количественное оценивание риска угрозы здоровью, обусловленного загрязняющими веществами.

1.4.1.2 Расчет риска для здоровья с учетом взаимного влияния токсикантов, находящихся в виде смеси в объектах природной среды.

1.4.1.3 Практические подходы к нахождению зависимости "доза-эффект".

1.4.1.4 Методика оценки условного (относительного риска).

1.4.1.5 Построение полей риска для систематических выбросов загрязняющих веществ.

1.4.2 Оценка последствий воздействия атмосферных загрязнителей на экосистемы.

1.4.2.1 Общие положения.

1.4.2.2 Анализ зависимостей "доза-эффект" на экосистемном уровне.

2 Обзор объектов исследования и программных средств

2.1 Характеристика объектов исследования 101 2.1.1 Краткая характеристика региона города Усть-Каменогорск.

A) Характеристика источников выброса загрязнителе.

Б) Характеристика населения региона.

B) Многолетние климатические данные региона г. Усть-Каменогорск.

2.1.2 Краткая характеристика региона Бованенковского Газоконденсатного месторождения (БГКМ).

A) Характеристика источников выброса загрязнителей.

Б) Краткая характеристика природной среды региона БГКМ.

B) Характеристика величин критических нагрузок азота для ландшафтных типов региона БГКМ.

Г) Ранжирование территории БГКМ.

2.2 Обзор программных средств по расчёту риска

2.2.1 Обоснование необходимости разработки системы.

2.2.2 Постановка задачи для разработки программного средства.

3 Расчёта риска для населения и оценка воздействия на растительность севера систематических выбросов в атмосферу

3.1 Моделирование процесса переноса примесей в атмосфере

3.2 Моделирование процесса превращения загрязняющих веществ в атмосфере

3.3 Моделирование осавдение примесей в атмосфере

3.4 Расчёт санитарно гигиенических показателей и риска в городе Усть-Каменогорск

3.5 Оценка динамики изменения растительных сообществ северных регионов

3.6 Разработка программного средства

3.6.1 Алгоритм работы программной системы по расчёту полей концентраций и риска.

3.6.2 Структурная схема программного средства.

3.6.3 Модуль "Источники".

3.6.4 Модуль "Вещества".

3.6.5 Модуль "Реципиенты".

3.6.6 Модуль "Расчёт".

4 Анализ рассчитанных характеристик

4.1 Сравнительная оценка и ранжирование рисков

4.2 Оценка сходимости рассчитанных рисков заболеваемости со статистическими данными

4.3 Прогноз схода растительность БГКМ

4.4 Оценка доверительного интервала рассчитанных показателей

4.4.1 Оценка погрешности математической модели распространения ЗВ

4.4.2 Диапазон исходных параметров.

4.4.3 Неопределённость коэффициентов риска.

5 Выводы

Введение Диссертация по биологии, на тему "Физико-химические превращения в атмосфере и оценка экологического риска от выбросов промышленных объектов"

Методология оценки риска воздействия химических веществ на состояние здоровья населения начала использоваться в США с 80-х годов. Начиная с этого времени, было разработано значительное количество методов для установления различных видов риска и различных причин, обусловивших необходимость проведения такой оценки. На сегодняшний день эта методология широко применяется в большинстве развитых стран мира и рекомендована Всемирной Организацией Здравоохранения в качестве ведущего инструмента при определении количественного ущерба для здоровья от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды.

Рост химического загрязнения в промышленных городах делает необходимым проведение объективной оценки риска воздействия химических веществ па население. Вместе с тем отечественная методология оценки риска в региональных масштабах представляет собой сложную задачу, по причине сильного различия регионов по метеорологии, ландшафтным характеристикам и другим специфическими особенностями. Отсюда вытекает необходимость создания унифицированных технологий, методов систем и алгоритмов оценки риска, с большой свободой параметризации, позволяющим оценить широкий спектр промышленных территорий.

Подход на основе анализа риска как некоторой количественной оценки особенно важен на региональном уровне, в первую очередь для регионов, где сосредоточено значительный потенциал опасных производств и объектов в сочетании со сложной социально-политической обстановкой и недостаточным финансированием.

Усиление технического воздействия на природную среду деградацию качества окружающей среды и породило целый ряд связанных с этим проблем, наиболее острая из которых - состояние атмосферного воздуха. По сравнению с другими земными 3 оболочками атмосфера имеет ряд присущих только ей особенностей - высокую подвижность, изменчивость её компонентов, своеобразие физико-химических процессов. Физико-химические превращения компонентов атмосферы имеют специфические особенности связанные как с природными (фаза солнечной активности, географическое положение, время суток), так и с антропогенными факторами знание механизмов и кинетики образования конечных продуктов реакций необходимо для разработки методов защиты окружающей среды от промышленных загрязнений.

В ряде случаев изменение состояния растительных сообществ, находящихся под воздействием ЗВ из атмосферы, может привести к непосредственному сильному экономическому ущербу в масштабах страны. Это наблюдается при введении в строй промышленных объектов в зонах северной тундры, биоценозы которых имеют малую устойчивость к каким бы то ни было внешним воздействиям. При строительстве объектов добычи и транспортировке газа в этих зонах просматривается чёткая причинно следственная связь: ввод нового промышленного объекта - резкий рост концентрации оксидов азота в атмосфере - угнетение или сход большинства растений (мхов и лишайников) - изменение физический свойств почвы (увеличивается глубина протаивания, как следствие разжижение почвы) - проседание или разрушение фундаментов зданий объектов - повышение износа недавно построенной системы или её разрушение. Для поисков решения данной сложной задачи требуются аналитические средства позволяющие оценить воздействие выбросов предприятий на растительность на картографической основе.

Целью данной работы является разработка наиболее подходящих математических моделей, описывающих химические превращения загрязняющих веществ в атмосфере, их распространение, физико-химические процессы сухого и мокрого осаждения и взаимодействия с подстилающей поверхностью и на основе этих моделей сравнительная оценка риска негативного воздействия на человека и окружающую среду от загрязнения атмосферного воздуха. Создание моделей даст возможность оценить степень опасности для региона того или иного вида технологической деятельности, выявлять приоритетные направления деятельности по снижению этой опасности.

В качестве примера оценки негативного воздействия систематических выбросов на человека рассмотрен промышленный регион города Усть-Каменогорск, сосредоточившего множество химических производств и ТЭС. В качестве примера оценки последствий негативного воздействия загрязнений на растительный покров северной арктической тундры рассмотрен район Бованенковского газоконденсатного месторождения (БГКМ) на полуострове Ямал. Основное внимание при решении этих задач было направлено на разработку компьютерных программ анализа и прогноза уровня загрязнения окружающей среды в данном регионе на основе методологии риск-анализа.

Перечисленные задачи определили структуру и содержание работы.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Швыряев, Иван Александрович

5 Выводы

7. Модели воздействия загрязнителей на объекты биоты могут быть использованы для оценки динамики схода растительности в районе Бованенковского газо-конденсатного месторождения для выработки оптимальной стратегии природоохранных мероприятий в процессе освоения месторождения с учетом последовательности введения промышленных объектов.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата химических наук, Швыряев, Иван Александрович, Москва

1. Опищепко Г.Г. и др. Основы оценки риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду / Под. ред. Рахманина Ю.А., Онищенко Г.Г. М.: НИИ ЭЧ и ГОС, 2002. - 408 с.

2. Авалиани СЛ., Андрианова М.М., Печенникова Е.В.,Пономарева О.В. Окружающая среда. Оценка риска для здоровья (мировой опыт). М.: ЦОП RCI, 1997. 160 с.

3. Меньшиков В. В. и др. Анализ опасности и рисков при декларировании безопасности промышленных объектов // Сб. Научных трудов ВНИИгаза. М.: Изд-во ВНИИгаза, 1999, с.с. 188-203

4. Меньшиков В.В. и др. Техногенные риски в регионе: анализ, оценка, управление // Сб. Управление природными и техногенными рисками на уровне региона -Российский и международный опыт. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 1999, с.с. 84-113.

5. Кузьмин ИИ. и др. Безопасность и риск: эколого-экономические аспекты. СПб.: Изд-во СПб ГУЭФ, 1997,164 с.

6. Сафонов B.C., Одишария Г.Э., Швыряев А. А. Теория и практика анализа риска в газовой промышленности. М.: «Олита», 1996.-208 с.

7. Горский В.Г. и др. Современный подход к анализу риска при систематическом загрязнении окружающей среды опасными химическими веществами. // Химическая технология, № 11,2002. с.43-47.

8. Быков А.А., Мурзин Н.В. Проблема анализа безопасности человека, общества и природы. СПб.: Наука. 1997. 247 с.

9. Владимиров В.А., Измалков В.И. Катастрофы и экология. М.: ООО «Контакт-Культура», 2000. - 380 с.

10. Измалков В.И, Измалков А.В. Безопасность и риск при техногенных воздействиях. М.-Спб.: НИЦ экологической безопасности РАН, 1994. 250 с.

11. US ЕРА Risk Assessment Guidelines for Superfund. V.l. Human Health Evolution Manual (Part A) EPA/540/1-89/002. Washington, 1989.

12. Еременко В.А., Печеркин А.С., Сидоров В.И. Описание и адаптация «Руководства по опасным работам в промышленности голландской фирмы TNO». // Хим. промышленность, 1992, №7, с.с.432-437.14. http://risk.ornl.gov

13. Безопасность России. Правовые, социально-экологические и научно-технические аспекты. Региональные проблемы безопасности с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф М: МГФ "Знание", 1999 - 672с.

14. Швыряев А.А., Меньшиков В.В. Оценка риса воздействия загрязнения атмосферы в исследуемом регионе: Учебное пособие для вузов. М.: Изд-во МГУ, 2004. - 124 с.

15. Быков А.А. и др. 'Методические рекомендации по анализу и управлению риском воздействия на здоровье населения вредных факторов окружающей среды. М.: «Анкил», 1999.-71 с.

16. Исидоров В.А. Введение в химическую экотоксикологию. Учеб. пособие. СПб: Химиздат, 1999. - 144 с.

17. Меньшиков В.В., Швыряев А.А., Захарова Т.В. Анализ риска при систематическом загрязнении атмосферного воздуха опасными химическими веществами. Учебн. пособ. М.: Изд-во Химич. фак. Моск. ун-та, 2003. - 120 с.

18. Смит У.Х. Лес и атмосфера. Взаимодействие между лесными экосистемами и примесями атмосферного воздуха. М.: Прогресс, 1985,429с.

19. Меньшиков В.В., Малыгин В.В. Внедрение принципа предотвращения экологической опасности / сб. научных трудов: Управление техногенными рисками на уровне региона. Российский и международный опыт. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 1999, с.с. 53-75.

20. Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis. Center for Chemical Process Safety of the American Institute of Chemical Engineers. N.Y., 1989. 585 p.

21. Rijnmond Public Authority. Risk analysis of six hazardous industrial objects in the Rijnmomd area. A pilot study, Reidel, Dordrecht, 1982.

22. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД 86. - М.: Гидрометеоиздат, 1987. -93 с.

23. Детков СЛ., Детков В.П., Астахов В.А. Охрана природы нефтегазовых районов. -М.: "Недра", 1994.-335 с.

24. PasquillF., Smith F.B. Atmospheric diffision, Third Edition, Ellis Horwood Ltd. 1983.

25. Волков Э.П. Контроль загрязнения атмосферы выбросами ТЭС, М.:Энергоиздат,1986. -255 с.

26. Ley В.Е., Bloxam R.M., Misra Р.К., Atmospheric Model Development Unit Air Quality and Meteorology Section Air Resources Branch, 1986, p. 170.

27. Тарасова Н.П., Дисперсные системы в атмосфере. М.: Изд-во "Хронос" совместно с ВЦРХТУ, 1994.-60 с.

28. Тарасова Н.П. и др., Задачи и вопросы по химии окружающей среды. М.: Мир, 2002.-368 с.

29. RusselA.G., Gass G.R., Seinfeld J.H. Environ., Sci. Technol., 1986, V.220, p.l 167.

30. Derwent R.G., Atmospheric Environment, 1987, vol.21, No 6, pp.1445 1454.

31. БримклумбП., Состав и химия атмосферы: пер. с англ. М.: Мир, 1988 351с.

32. Демин В Д. Научно-методические аспекты оценки риска. // Сб. научи, тр. М.: Изд-во ВНИИГАЗ, 1999.

33. Некоторые новые направления химической экологии: материалы конференции / Под ред. Меньшикова В.В., Галактионовой Н.А. (Научные труды МНЭПУ. Вып. 8. Серия «Экология»). М.: Изд-во МНЭПУ, 2001.- 132с.

34. Ваганов П.А., Манг-Сунг Им., Экологический риск: Учебное пособие. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 1999.- 116с.

35. Mantel, N. Bryan, W. "Safety" testing of carcinogenic agents. JNCI, 1961, 27: 455-470.

36. Mantel N., Bohidar N.R., Brown C.C., Cinemara J.L., Turkey J. W. An improved Mantel-Bryan procedure for "safety" testing of carcinogens. Cancer Res., 197535:865-872.

37. Safe Drinking Water Committee, Drinking water and health, Nation Academy of Science, Washington, DC, 1977.

38. Scientific Committee of the Food Safety Counsel. Quantitative risk assessment. Food Cosmet.Toxicol.Environ.Health 8:379-386 (1981).

39. Haseman J.K., Hoel D.G. Jenric, R.I. Some practical problems arising from the use of the gamma multihit model for risk estimation. J.Toxicol. Environ. Health 1981, 8:379-386.

40. Farber E. Cancer Res., 1984, p.p. 217-233.

41. Wilson R., Crouch A J. Environ. Health, USA, 1985, p.p. 264-270,.

42. Moskowitz P.D., Morris S.C., Fischer H., Thode H.C., Hamilton J.D., Hamilton L.D. Risk Analysis, V.5, N3,1995, p. 181-194.

43. Jones T.D., Walsh P.J., Watson A.P., Owen B.A., Barnthouse L.W., Sanders D.A. Risk Analysis, V.l, N1, p.99-118.

44. Tancrede M., Wilson R., ZeiseL., Crouch E.A.C. Atmospheric Environment, 1987, v.21. N10. p.p. 2187-2205.

45. Новиков C.M., Авалиани СЛ., Андрианова М.М. и др. Основные элементы оценки риска для здоровья. Пособие для семинаров. М., 1998.

46. Меньшиков В.В., Гальченко С.А. Учет превращений загрязнителей при оценке риска воздействия нефтеперерабатывающего предприятия. // Химическое и газовое машиностроение, №6,2000, с.с. 50-52

47. Меньшиков В.В., Литвинова А.И., Меньшикова О.В. Regional ecological technogenic risks: the analysis, estimation and management. // Advances and Prospects of Ecological Chemistry: ed. G.Duka. Kishinev, 2002, p.p. 110-114.

48. Садыков О.Ф. Экологическое нормирование: проблемы и перспективы. // Экология, 1989, №3, с.с. 3-11.

49. Бялобок С. Регулирование загрязнения атмосферы. // Загрязнение воздуха и жизнь растений. Л., 1988, с.с. 500-531.

50. Гудериан Р. Загрязнение воздушной среды. М.: Мир, 1979 - 200 с.

51. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. Новосибирск: Наука, 1991.-151с.

52. O'Gara P.J., Sulfur dioxide and fume problems and their solutions. J. Ind. Eng. Chem., 1922. V. 14, p.744.'

53. Thomas M.D., Hill G.R., Absorption of sulfur dioxide by alfalfa and it's relation to leaf injury. Plant Physiol., 1935, vol. 10, p. p. 291 - 307.

54. Большаков B.H. и др. Актуальные проблемы популяционного мониторинга. // Проблемы экологического мониторинга и моделирование экосистем. Л.: 1987, т.10, с.с. 47-63.

55. Израэль Ю.А., Семенов С.Н., Купина КМ. Комплексный подход к экологическому нормированию загрязнения воздуха. // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Л., 1988, т. 11, с.с. 10-23.

56. Heck W.W., Tingey D.T., Ozone: time-concentration model to predict acute foliar injury. In: Proc. 2nd Int. Clean Air Congress. Washington: Academic Press, 1971, p. 249 - 255.

57. Air quality criteria for nitrogen oxides. Washington, 1971, AP-84, p. 8 - 10.

58. Effects of sulfur oxides in the atmosphere on vegetation. Revised ch. 5 for air quality criteria for sulfur oxides. US EPA, 1973, EPA-R3-73-030.- 43 p.

59. Zahn R., Investigations on plant reactions to continuous and/or intermittent sulfur dioxide exposure. Staub, 1963, vol. 23, N 7, p.p. 334 - 352.

60. Василенко B.H. и др. Мониторинг загрязнения снежного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. -180 с.

61. Ю.Айвазян С.А. и др. Прикладная статистика. Основы моделирования и первичная обработка данных. М.: Финансы и статистика, 1983. - 471 с.

62. Рыжова КМ. Математические методы определения критичных значений параметров экосистемы. // Экологическое нормирование: проблемы и методы. Тез. докл. М., 1992, с.с.129-130.

63. Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. // Под. ред. В.А. Алексеева. Л.: Наука, 1990.-197 с.

64. Воробейник Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем. (Локальный уровень.) -Екатеринбург: УИФ «Наука», 1994. 279 с.

65. Зайцев Г. Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике. М.: Наука, 1984.-424 с.

66. Государственный комитет СССР по гидрометеорологии. 1989. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Части 1-6. Выпуск 18. Казахская ССР. Ленинград. Гидрометеоиздат.

67. Сборник материалов №1. Сведения о состоянии природной среды, здоровья населения, основных загрязнителях и природоохранной деятельности в г. Усть-Каменогорск/ под ред. Г.М. Баренбойм.- Москва. 1989 347с.

68. Snakiti V. К, Bashkin V.N., Kozlov М. Ya., et al., Russian Federation//Downing et al. (Eds). Calculation and Mapping of Critical Loads in Europe: Status Report 1993, CCE, RIVM, The Nitherlands.

69. Ревич Б.А. Быков A.A., Оценка риска смертности населения России от техногенного загрязнения атмосферного воздуха.// Вопросы прогнозирования 1998, №3, с 147162.

70. Критерии оценки риска для здоровья населения приоритетных химических веществ, загрязняющих окружающую среду. Методические рекомендации утв. Гл. Гос. Санитарным врачом г. Москвы. (Рахманини и др.), г. М.,2001 80 с.

71. Новиков С.М. и др., Оценка риска для здоровья. Опыт применения методологии оценки риска в России (Самарская обл.). М., 1999 - 290 с.

72. Мониторинг биоты полуострова Ямал в связи с развитием добычи и транспортировки газа. Екатеринбург: Издательство УРЦ "Аэрокосмология" 1997. ISBN 5-7525-0616-6.

73. А.Ю. Сидорчук, А.В. Баранов, Эрозионные процессы центрального Ямала, Санкт-Петербург, 1999.

74. А.В. Салиев, "Использование гиперболических зависимостей для оценки действия атмосферных поллютантов на растения", Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем t.VII, JI. Гидрометеоиздат. 1985.

75. Исидоров В.А., Экологическая химия. Спб.: Химия, 2001 287с.

76. А.Я.Архангельский., Программирование в C++Builder 6. М.: ЗАО "Издательство БИНОМ", 2002.

77. Standard ISO/IEC 14882. Programming languages С++, 1998.88. http://progz.ru Форумы по программированию: internet, 2002.

78. Сведенья о состоянии природной среды, здоровья населения, основных загрязнителях и природоохранной деятельности в г.Усть-Каменогорске (Сборник материалов №1), Москва, Переславль-Залесский, Усть-Каменогорск, 1989.- 347с.90. http://medicinfonri.net

79. Industrial Waste Air Model Technical Background Document, Office of Solid Waste U.S. Environmental Protection Agency, EPA-530-R-02-010, February 2002.

80. Wanjura J.D., 2005. MS Thesis: "Engineering approaches to address errors in measured and predicted particulate matter concentrations." Department of Biological and Agricultural Engineering, Texas A&M University, College Station, Texas.

81. Lees, Frank P. Loss prevention in the process industries: hazard identification, Assessment, And control / Frank P. Lees. 2nd ed/

82. Государственный комитет СССР по гидрометеорологии. 1989. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Части 1-6. Выпуск 18. Казахская ССР. Ленинград. Гидрометеоиздат.

83. Dockery DW, Schwartz J, Spengler JD. Air pollution and daily mortality: Associations with particulates and acid aerosols. Environmental Research 1992; 59:362-373.

84. RublA. Interpretation of Air Pollution Mortality: Number of Deaths or Year of Life Loss. Journal of Air & Waste Management Association Vol.53(l), 2003, 41-50.

Информация о работе

Швыряев, Иван Александрович
кандидата химических наук
Москва, 2006
ВАК 03.00.16

Диссертация

Физико-химические превращения в атмосфере и оценка экологического риска от выбросов промышленных объектов - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы