Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование процессов повышения концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в период неблагоприятных метеорологических условий

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Исследование процессов повышения концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в период неблагоприятных метеорологических условий"

На правах рукописи

СТЫЦЮРА ДМИТРИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОВЫШЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ В ПЕРИОД НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

Специальность 25.00.36 «Геоэкология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 2005

Работа выполнена во Владивостокском государственном университете экономики и сервиса (ВГУЭС)

Научный руководитель:

кандидат технических наук профессор Гриванова СМ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Гульков А.Н. доктор технических наук профессор Филипов Г.С.

Ведущая организация:

«Дальневосточный ПромстройНИИпроект»

Защита состоится 1 июля 2005 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.005.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук при Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ имени В.В. Куйбышева) Федерального агентства по образованию РФ по адресу: 690600, г. Владивосток, ГСП, ул. Алеутская, 39. Институт инженерной и социальной экологии, конференц-зал.

Тел/факс: (4232)401 628.

E-mail: vakh@fegi.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета (ДВПИ имени В.В. Куйбышева) по адресу: 690950, г. Владивосток, ГСП, ул. Пушкинская, 10.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба присылать по адресу: 690950, г. Владивосток, ГСП, ул. Пушкинская, 10. Ученому секретарю диссертационного совета. Факс (4232) 401628, e-mail: varh@fegi.ru

Автореферат разослан мая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат геолого-минералогических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Среди множества аспектов, определяющих состояние окружающей среды, особое место занимают проблемы охраны атмосферного воздуха. Практическое и научное значение этих проблем определяется тем, что атмосферный воздух, являясь необходимым для жизнедеятельности, служит одновременно основой для всех технологических процессов, связанных с получением энергии, материалов, переработкой продуктов и сырья, основой естественного круговорота веществ и средой, в которую сбрасываются отходы технологических процессов производства, продуктов сгорания топлива и жизнедеятельности живых организмов.

Анализ состояния атмосферного воздуха в городах Приморского края показывает тенденцию к ухудшению качества окружающей среды, и, как результат, возникновение зон повышенных концентраций загрязняющих веществ, в период неблагоприятных метеорологических условий (НМУ) достигающих критических значений.

Для ограничения степени негативного воздействия на атмосферный воздух разработана и используется система государственного нормирования выбросов загрязняющих веществ промышленными предприятиями.

Однако наличие городов - зон «экологического бедствия» свидетельствует о том, что существующая система нормирования оставляет неучтенными некоторые аспекты, связанные с учетом и ограничением выбросов загрязняющих веществ. Так, в условиях отсутствия регулярно поступающей достоверной информации, основанной на натурных замерах, о состоянии метеорологических элементов и качестве атмосферного воздуха, отсутствуют какие-либо рекомендации по прогнозированию изменения концентраций загрязняющих веществ на основании математических расчетов в период НМУ.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ ЯВЛЯЕТСЯ исследование процессов повышения концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в период неблагоприятных метеорологических условий (НМУ); разработка методики прогнозирования качества атмосферного воздуха в период НМУ, исходя из возможности атмосферы к выведению примесей; разработка предложений по учету процессов накопления загрязняющих веществ в период НМУ в процессе проектирования.

Для реализации поставленной цели определены следующие задачи:

- оценить факторы, влияющие на превышения концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в период НМУ;

- разработать методику расчета концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в период НМУ;

- разработать методику определения количества валовых выбросов загрязняющих веществ в период НМУ;

- произвести оценку эффективности существующей системы нормирования выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в период НМУ;

- разработать методику определения концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе с учетом процессов накопления загрязняющих веществ в период НМУ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Впервые:

- произведена оценка способности атмосферы к накоплению и выведению примеси над конкретной территорией для определения допустимых нагрузок на окружающую среду в период НМУ;

- предложена модель, позволяющая прогнозировать степень загрязнения атмосферного воздуха и производить оценку количественных характеристик процессов накопления и выведения примеси из атмосферы в период НМУ.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Модель, имитирующая изменения концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и позволяющая получить количественные характеристики процессов накопления и выведения примеси из атмосферы в период НМУ.

2. Методика определения концентраций загрязняющих веществ в атмосфере с учетом процессов накопления загрязняющих веществ в период НМУ.

3. Рекомендации по совершенствованию процессов регулирования загрязнения атмосферного воздуха путем учета накопительных процессов в период НМУ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Предложенная модель может использоваться для оценки степени загрязнения атмосферного воздуха с учетом накопительных процессов в период неблагоприятных метеорологических условий, и определения предельно допустимых валовых выбросов загрязняющих веществ, что позволит осуществлять прогнозы и повысить эффективность регулирования качества атмосферного воздуха.

Предложенный метод определения концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в период НМУ может быть использован как для принятия управленческих решений о целесообразности размещения предприятий на конкретной территории, так и для оценки эффективности природоохранных мероприятий, разрабатываемых для периода НМУ.

Рекомендации по совершенствованию процессов регулирования загрязнения атмосферного воздуха путем учета накопительных процессов в период НМУ могут использоваться для повышения эффективности природоохранных мероприятий.

РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты исследования автора рекомендованы для применения в лаборатории экологического мониторинга в Дальневосточном филиале научно-исследовательского института природы; используются при проведении экспертизы экологических частей проекта в Управлении по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора по Приморскому краю; используются при проведении экспертизы экологических разделов проекта Управлением федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Приморскому краю; используются для определения допустимого количества выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду предприятиями корпорации Samsung Fine Chemicals Co.Ltd..l90, Южная Корея; использовались при разработке разделов «Охрана окружающей природной среды», «Оценка воздействия на окружающую среду» и проектов предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух (ПДВ) для 580 предприятий; использовались при разработке разделов документа «Методика расчета выбросов вредных веществ в атмосферу предприятиями малого бизнеса и бытового обслуживания», утвержденного НИИ Атмосфера; использовались для разработки учебно-методического комплекса «Оценка влияния выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта на качество атмосферного воздуха города».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Результаты и основные положения диссертации были доложены на: международном экологическом симпозиуме «Перспективные информационные технологии и проблемы управления на пороге нового тысячелетия», Санкт-Петербург, 2000; международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы управления — 2000», Россия, Москва, ГУУ, 2000; международной конференции «Актуальные проблемы энергетики», в номинации «Экология и ресурсосбережение», Петербургский Государственный политехнический университет, 2000; международной научно-практической конференции «Охрана атмосферного воздуха: система мониторинга и защиты», Пенза, 1999; международной научно-практической конференции «Охрана атмосферного воздуха: система мониторинга и защиты», 2000, Пенза; Интеллектуальный потенциал ВУЗов на развитие дальневосточного региона, ВГУЭС, 2003 г; Научно-практическая конфиренция, сектор «Охрана окружающей среды»,

Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет, 2003 г.; Интеллектуальный потенциал ВУЗов на развитие дальневосточного региона, ВГУЭС, 2004 г; ДВО РАН. Третья молодежная конференция-конкурс «Географические и геоэкологические исследования на Дальнем Востоке», 2005, на открытом семинаре кафедры ООС ДВГТУ.

По результатам исследований, изложенным в печатных работах, соискатель является лауреатом конкурса аспирантов ВУЗов РФ на стипендию президента МО РФ «За выдающиеся способности в учебной и научной деятельности».

ПУБЛИКАЦИИ

Основные положения диссертации опубликованы в 25 научных печатных работах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка используемой литературы из 212 наименований,_приложений, изложена на_

страницах машинописного текста, содержит таблиц,_рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введедении_обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи, решаемые в диссертации, основная идея работы, методы исследования, основные положения, защищаемые автором, научная новизна и практическая значимость работы.

В главе 1 проведен анализ существующих исследований влияния различных факторов на загрязнение атмосферного воздуха.

Значительный вклад в изучение вопроса охраны атмосферного воздуха внесли Безуглая Э. Ю., Берлянд М Е., Бубник Ю., Вызова Н. Л., Буштуева К.А., Горошко Б. Б., Замай С.С., Якубайлик О. Э., Израэль Ю.А., Кузнецов В.И., Марчук Г. И., Сонькин Л. Р, Гриванова СМ. и др.

Степень антропогенного загрязнения атмосферного воздуха определяется эффективностью системы нормирования выбросов загрязняющих веществ.

Процесс нормирования выбросов вредных веществ в атмосферу включает в себя следующие основные этапы:

- определение перечня загрязняющих веществ, оценка их воздействия на организм человека и окружающую среду;

- определение критерия опасности веществ;

- организация контроля за выбросами загрязняющих веществ в атмосферу;

- определение и учет факторов, действующих на распространение загрязняющих веществ; полнота учета этих факторов при моделировании распространения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.

На момент исследований разработан перечень веществ, загрязняющих атмосферный воздух; определены загрязняющие вещества, выбрасываемые при различных технологических процессах. Проведены исследования по воздействию загрязнителей на живые организмы, определены предельно допустимые концентрации этих веществ, выявлены вещества, по которым осуществляется нормирование вредных выбросов источниками предприятий.

Существует ряд факторов, влияющих на распространение вредных веществ в атмосфере. Эти факторы в разной степени учитываются при моделировании процессов распространения примеси во множестве разработанных моделей. Модели разделяют на эмпирические, основанные на экспериментальных данных, теоретические, основанные на разнообразных математических аппаратах, и смешанные, сочетающие в себе элементы обоих типов. Строгих указаний о применении моделей в методиках, имеющих официальный статус, нет, что фактически означает, что исследователи должны исходить из конкретной ситуации и использовать адекватные ей модели.

Нормирование выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух производится в соответствии с санитарно-гигиеническим принципом, исходя из наиболее неблагоприятных для рассеивания загрязняющих веществ метеорологических условий. Ухудшение качества атмосферного воздуха, проявляющее себя, в том числе, как возникновение и развитие зон «экологической опасности», ставит под вопрос эффективность существующего механизма контроля загрязнения атмосферы предприятиями, или нормирования выбросов ЗВ в атмосферу. Так, на стадии проектирования производственных объектов, оценки влияния объекта на окружающую среду сводятся к определению размеров сани-тарно-защитных зон, регламентирующих соблюдение в их границах санитарного норматива воздуха по наиболее токсичному ингредиенту или группе вредных веществ. С ведомственной точки зрения это допустимо, так как выполняется требование соответствующих нормативных документов. С точки зрения защиты здоровья населения от растущего загрязнения требуется исследование факторов, неучтенных системой нормирования выбросов загрязняющих веществ. Особую опасность в виде бесконтрольного повышения концентраций загрязнителей в атмосфере представляют НМУ.

Существующие методы оценки загрязнения атмосферы города в период НМУ основываются на практике эпизодических инструментальных замеров и статистическом анализе. Система регулярного получения достоверной информации о состоянии метеорологических элементов и качестве атмосферного воздуха в период НМУ, основанная на натурных замерах, отсутствует.

Вместе с тем, отсутствуют какие-либо рекомендации по прогнозированию изменения концентраций загрязняющих веществ в период НМУ на основании математических расчетов. Исследование загрязнения атмосферы с точки зрения изучения закономерностей накопления вредных примесей и разработка рекомендаций по нормированию выбросов от предприятий с учетом накопительных процессов в период НМУ, не производились.

В главе 2 разрабатывается модель накопления вредных веществ в атмосферном воздухе в период НМУ

Ухудшение качества атмосферного воздуха ставит под вопрос эффективность существующего механизма контроля выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. На стадии проектирования производственных объектов оценка влияния объекта на окружающую среду сводится к определению размеров санитарно-защитных зон, регламентирующих соблюдение в их границах санитарного норматива воздуха по наиболее токсичному ингредиенту или группе вредных веществ. С ведомственной точки зрения это допустимо, так как выполняется требование соответствующих нормативных документов. С точки зрения защиты здоровья населения от растущего загрязнения требуется исследование факторов, неучтенных системой нормирования выбросов загрязняющих веществ.

Благодаря наличию у атмосферного воздуха способности выводить из себя некоторое количество вредных выбросов, имеется возможность достижения оптимума между количеством выбросов и способностью атмосферы к выводу примеси.

В качестве замены ассимиляционной емкости атмосферы в настоящее время в используемых методах рассматривается объем предельно допустимых выбросов (ПДВ), косвенно учитывая способность атмосферы к самоочищению. Определение последних соответствует требованиям: если объем загрязнителей, попадающих в окружающую среду, не превосходит ПДВ (значения ПДВ дифференцированы по различным загрязнителям и их сочетаниям), то атмосфера рассматриваемой территории сама, без дополнительных природоохранных мероприятий, справляется, с поступающими в нее вредными веществами и обезвреживает их без существенных для себя последствий (таких, как изменения внутренней структуры).

Такой подход имеет ряд недостатков. Существующая практика определения значений концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, ввиду отсутствия необходимого количества данных систематических натурных замеров, основана на математических расчетах рассеивания в соответствии с моделью ОНД 86. При проведении таких расчетов производится учет концентраций загрязняющих веществ от произвольного количества источников вредных выбросов при устоявшемся процессе атмосферного переноса; концентрации одноименных

веществ от разных источников в одной точке суммируются. Накопление загрязняющих веществ в атмосфере, влияющее на концентрацию, учитывается принятым условием стационарности процесса переноса и не зависит от общей массы поступившей в атмосферу примеси, что не позволяет учитывать повышение концентрации примеси за счет её накопления, имея значительные погрешности при определении значений концентраций расчетным путем (рисунок 2.1).

Автором сделано предположение о возникновении зон повышенной концентрации вследствие наличия процессов накопления загрязняющих веществ.

Для определения количественных характеристик накопительных процессов разработана модель, эмитирующая вышеуказанные процессы (2.1).

м„ак = Мтст - Увы„ X с„му x3.6xЛxlO~6-g-w (2.1)

где Мнак - количество примеси, участвующей в процессах накопления; М„ост - количество примеси, поступающей в объем, характеризующийся наличием процессов накопления; УеЬт- величина перемещения воздушной массы над рассматриваемой территорией за 1 секунду при метеорологических характеристиках наибольшей повторяемости за период НМУ (м3/с); СНЛ1у- концентрация вещества, средняя за период НМУ, создаваемая в объеме накопления (мг/м3); П- количество часов в периоде НМУ; g- снижение концентрации примеси в атмосфере за счет химических взаимодействий; м>- снижение концентрации примеси в атмосфере за счет вымывания примесей осадками.

2.5 2

С

о

^ 0.5

Л 2.3 1.8

1 Ъ — *

1.2 1.2 ✓ —__■ 1.4

0.9 0.9 0.9

0.8 ■Ь.9

0.6

012345678

-НИ—Расчетные значения концентрации N02+802

— -А — Измеренные значения концентрации N02+802

Рисунок 2.1. Расчетные и замеренные концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, полученные при сходных условиях для г. Уссурийска

В основе модели лежит утверждение о том, что если количество поступающей примеси превышает количество примеси, выводимой из атмосферы, то оставшаяся часть принимает участие в процессах накопления, которые являются причиной повышения концентрации ЗВ.

Количество примеси, которое может быть вынесено (следовательно, и пороговое значение поступающей), определено как масса примеси в воздушном объеме, перемещающимся со скоростью и по направлению ветра, вынесенной за область интенсивного влияния источников загрязняющих веществ (ИЗВ). За скорость движения воздушной массы принята скорость ветра при НМУ.

В ходе исследований определены процессы, оказывающие основное влияние на содержание примесей в атмосферном воздухе, кроме количества выброса:

- химическая трансформация примеси;

- количество и интенсивность осадков;

- повторяемость туманов;

- скорость ветра (влияет на интенсивность разбавления ЗВ воздушными массами);

- характер рельефа.

При проведении расчетов рассеивания и накопления загрязняющих веществ в атмосфере приняты следующие ограничения:

- процессы накопления загрязняющих веществ в атмосферном воздухе имеют место только в период НМУ, на ограниченной территории, в случаях, когда концентрация ЗВ превышает 1 ПДК;

- распределение величины концентрации примеси в расчетном объеме принимается устойчивым;

- высота объема поступления примеси определяется как высота подъема газа от ИЗВ;

- воздушные массы, участвующие в процессах разбавления загрязненного воздуха считаются незагрязненными;

- в расчетах рассматриваются только наиболее часто повторяющиеся состояния метеорологических элементов, выявленные за время многолетних наблюдений по сезонам года, приводящие к наибольшим концентрациям загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы.

Для определения количественных характеристик процессов накопления и способности атмосферы над конкретной территорией вынести за ее пределы примесь, определены объем воздуха над рассматриваемой территорией, в котором происходит накопление загрязняющих веществ.

Для определения такого объема определены высота подъема дымовых газов и площадь влияния ИЗВ на загрязнение атмосферы, над которой происходит выброс загрязняющих веществ.

В качестве площади интенсивного влияния рассматривается площадь влияния совокупного выброса загрязняющих веществ из источни-

ков, расположенных на территории города - площадь, периметром которой является изолиния концентрации 1 ПДК, построенная в результате расчетов рассеивания выбросов вредных веществ в период НМУ.

Определение объема интенсивного влияния источников ЗВ произведено для каждого отдельного вещества по формуле 2.2:

У„=Н„х8им3, (2.2)

где объем интенсивного влияния источников ЗВ (м3); - высота эффективного подъема газов (м); 8и - площадь поверхности, описываемой изолинией максимальных значений ПДК, построенная в результате расчетов рассеивания выбросов вредных веществ, усредненных по расчетному периоду (м2).

Определение количества примеси, вынесенной из объема накопления за расчетные периоды, произведено для каждого отдельного вещества по формуле 2.3:

где УВЬ1Н - величина перемещения воздушной массы над рассматриваемой территорией за 1 секунду при метеорологических характеристиках наибольшей повторяемости за период НМУ (м3/с); Снщг - концентрация вещества, средняя за период НМУ, создаваемая в объеме накопления (мг/м3); П - количество часов в периоде НМУ.

Определение количества примеси, накапливающейся за расчетный период в объеме интенсивного влияния ИЗВ, произведено для каждого отдельного вещества по формуле 2.4:

Мн=Мт-Мвы„т/ч, (2.4)

где М„, - валовый выброс ЗВ в атмосферу от источников на рассматриваемой территории за период НМУ (тонн/час); Мвыи - количество примеси, вынесенной из объема накопления в час.

Определение концентрации, создаваемой количеством примеси, накапливающейся за расчетный период в объеме интенсивного влияния источников ЗВ, производится для каждого отдельного вещества по формуле 2.5:

где М„ - количество примеси, поступающее в объем накопления (т/ч); П - количество часов в рассматриваемом периоде; - объем интенсивного влияния источников ЗВ (м3).

Определение количества выбросов источниками ЗВ за расчетный период, обеспечивающих нормативную концентрацию ЗВ, производится для каждого отдельного вещества по формуле 2.6:

м,

норм

Кип х Спдк х 6 X Я ^

(2.i)

где VBblH - величина перемещения загрязненной воздушной массы за 1 секунду при метеорологических характеристиках наибольшей повторяемости за период НМУ (м3/с); Спер - концентрация вещества, соответствующая его ПДК (мг/м3); П - количество часов в периоде НМУ; к-коэффициент, учитывающий фоновую концентрацию рассматриваемого вещества в атмосфере без учета рассматриваемых источников (доли единицы).

Снижение концентрации примеси в атмосфере за счет химических взаимодействий учтено посредством применения модели учета химической реакции (Burchard J.K. The Significance of Particle Emissions. Air Pollu. Control Assoc). Химическая реакция учитывается умножением концентрации на экспоненциальный член, зависящий от времени выведения. Таким образом, концентрация понижается в зависимости от времени переноса и постоянной выведения (2.7):

где Со - концентрация без учета химической реакции; X - скорость полувыведения, или время полужизни примеси; х - пройденной расстояние; и - скорость переносящего ветра.

Снижение концентрации примеси в атмосфере (Burchard J.K. The Significance of Particle Emissions. Air Pollu. Control Assoc) за счет вымывания примесей осадками учитывается применением модели (2.8):

где: \у -скорость вымывания; (} - средняя мощность источника за рассматриваемый период времени, принимается как средняя по наиболее часто встречающимся источникам; е - константа, характеризующая интенсивность взаимодействия газообразного вещества и осадков различной природы и интенсивности. Принимается для осадков средней интенсивности; х - расстояние по оси струи; - константа, характеризующая класс устойчивости; у - расстояние от края струи по нормали к оси струи; к - коэффициент, зависящий от климатических характеристик конкретной местности. Принимается в зависимости от класса устойчивости атмосферы.

Таким образом, на основании обзора литературных источников приняты способы определения перечня загрязняющих веществ, участвующих в процессах накопления в атмосферном воздухе в период НМУ, количественные показатели влияния метеорологических факторов на содержание примесей в атмосферном воздухе (химическое взаимодейст-

g = С0 х ехр (-Ахх/и) (т/ч),

(2.7)

еххху у-.2р

(2.8)

вие примесей, вымывание примесей из атмосферы, рассеивание примесей в атмосфере), высоты подъема дымовых газов.

Автором выявлены закономерности повышения концентраций загрязняющих веществ в период НМУ вследствие накопительных процессов, разработаны и предложены: методика определения количества примеси, вынесенной из объема интенсивного влияния ИЗВ за периоды НМУ; методика определения концентрации, создаваемой количеством примеси, накапливающейся за расчетный период в объеме интенсивного влияния источников загрязняющих веществ, или определения концентрации загрязняющих веществ в атмосфере в период НМУ; методика определения количества выбросов источниками загрязняющих веществ, обеспечивающих нормативную концентрацию в объеме интенсивного влияния.

Разработка методики определения концентраций загрязняющих веществ в атмосфере с учетом процессов накопления в период НМУ

Достоверность значений фоновых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе чрезвычайно важна. В зависимости от значений существующих концентраций устанавливается допустимый вклад существующего либо проектируемого предприятия в загрязнение атмосферы.

В настоящее время определение значений фоновых концентраций и выдача их для проектирования и оценки степени влияния предприятий на окружающую среду производится тремя путями в зависимости от наличия лабораторной базы и сводного тома ПДВ для рассматриваемого региона:

— организация мониторинга окружающей среды на основе проведения натурных замеров сертифицированными лабораториями или постами заборов проб, на основании которых разрабатываются карты загрязнения атмосферного воздуха;

— использование сводного тома ПДВ для рассматриваемой территории и математического моделирования распространения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.

— использование устаревших данных о загрязнении воздушного бассейна с учетом плана развития промышленности в рассматриваемом регионе.

Достоинством первых двух методов является возможность получения оперативной достоверной информации о загрязнении атмосферного воздуха рассматриваемой территории. Недостатком является высокая стоимость организации работ. Методы практически не применяются, за исключением центральных городов.

Недостатком метода, основанного на использовании устаревших данных о загрязнении воздушного бассейна, являются произвольные значения фоновых концентраций. Достоинства метода отсутствуют.

Для определения значений концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе предлагается разработанный автором метод, основанный на использовании усредненных показателей, учитывающий процессы накопления загрязняющих веществ.

В качестве максимальной концентрации загрязняющих веществ принята концентрация, создаваемая количеством примеси, накапливающейся за период НМУ в объеме накопления.

Целесообразность расчетов накопления загрязняющих веществ в атмосферном воздухе определяется наличием процессов накопления, сопровождаемых уровнем концентраций загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы, превышающем допустимый.

Наличие процессов накопления определяется наличием зон, в которых концентрация примеси превышает 1 ПДК, определяемых при проведении расчетов рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе от источников, расположенных на рассматриваемой территории, при условии, что в расчеты рассеивания заложены усредненные по рассматриваемому периоду НМУ выбросы загрязняющих веществ.

Разработанная методика определения фоновой концентрации в период НМУ включает в себя несколько этапов (рисунок 2.2).

Определение характеристик источников выбросов, находящихся на рассматриваемой территории, перечня и количества выбросов загрязняющих веществ в период НМУ

Определение объема интенсивного влияния источников загрязняющих веществ

Определение концентрации загрязняющих веществ в объеме интенсивного влияния в период НМУ.

Рисунок 2.2. Этапы определения фоновой концентрации загрязняющих веществ в период НМУ

1. Определение характеристик источников выбросов, находящихся на рассматриваемой территории, перечня и количества выбросов загрязняющих веществ в период НМУ производится в соответствии с существующими правилами проведения инвентаризации источников выбросов.

2. Определение объема интенсивного влияния источников загрязняющих веществ включает в себя: проведение расчетов рассевания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе с целью определения пло-

14

щади, очерченной изолинией 1 ПДК (в расчеты рассеивания закладывается выброс, усредненный за период НМУ); определение высоты подъема дымовых газов, выбрасываемых источниками загрязняющих веществ; определение объема интенсивного влияния источников загрязняющих веществ в соответствии с 2.2.

3. Определение концентрации загрязняющих веществ в объеме интенсивного влияния источников выбросов в период НМУ определяется в соответствии с 2.5.

С помощью предложенной методики возможно прогнозирование процессов изменения фоновых концентраций.

Разработка рекомендаций по совершенствованию регулирования загрязнения атмосферного воздуха путем учета накопительных процессов в период НМУ

Для ограничения степени негативного воздействия на атмосферный воздух разработана и используется система государственного нормирования выбросов загрязняющих веществ промышленными предприятиями.

Однако наличие городов- зон «экологического бедствия» свидетельствует о том, что существующая система нормирования оставляет неучтенными некоторые аспекты, связанные с учетом и ограничением выбросов загрязняющих веществ. Так, в условиях отсутствия системы, обеспечивающей достоверной информацией, основанной на натурных замерах, о состоянии метеорологических элементов и качестве атмосферного воздуха, отсутствуют какие-либо рекомендации по прогнозированию изменения концентраций загрязняющих веществ на основании математических расчетов в период НМУ.

Предлагается повысить эффективность существующей системы контроля за выбросами, введя контроль за общей массой загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу, исходя из возможности атмосферы рассматриваемой территории к самоочищению.

По результатам проведенных исследований разработаны рекомендации по совершенствованию регулирования загрязнения атмосферного воздуха путем учета накопительных процессов в период НМУ.

1. В период НМУ концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе достигают максимальных значений, в связи с этим возникает необходимость прогноза повышения концентраций. В настоящее время такие прогнозы производятся статистическими методами на основе многолетних данных натурных замеров. При отсутствии таких данных прогноз не производится. Предлагается организация прогнозов повышения концентраций загрязняющих веществ математическими методами, на основании разработанных модели (ф. 2.1) и методики определения концентраций загрязняющих веществ (схема определения концентраций приведена на рисунке 2.2).

2. В настоящее время нормативы валовых выбросов загрязняющих веществ устанавливаются в случае, когда приземные концентрации, рассчитанные исходя из максимально разовых выбросов, не превышают гигиенический норматив. Накопление загрязняющих веществ в атмосфере, влияющее на их концентрацию, учитывается принятым условием стационарности процесса переноса (концентрации одноименных веществ от разных источников в одной точке суммируются) и не зависит от общей массы поступившей в атмосферу примеси. Такой подход не позволяет учитывать накопительные процессы и приводит к бесконтрольному повышению концентраций загрязняющих веществ в атмосфере (существующая схема контроля качества атмосферного воздуха приведена на рисунке 2.3). Предлагается нормирование валовых выбросов, исходя из способности атмосферы к выведению загрязняющих веществ (предлагаемая схема контроля качества атмосферного воздуха приведена на рисунке 2.4).

Определение общего количества веществ, поступающего в атмосферу, на рассматриваемой территории

I

Определение объема интенсивного влияния источников выброса

I

Определение концентрации - примеси в обьеме интенсивного влияния ЗВ (определение фоновой концентрации)

Значение фона < т Значение фона >

Рисунок 2.4. Предлагаемая схемарегулирования процессов загрязнения сучетом накопления ЗВ в атмосферном воздухе

В главе 3 проводятся исследования процессов загрязнения атмосферного воздуха выбросами вредных веществ в период НМУ

Исследования особенностей загрязнения атмосферного воздуха в населенных пунктах показали: наиболее интенсивное загрязнение производится объектами теплоэнергетики и автотранспорта. В данной работе рассматривается атмосферный воздух над территорией городов Приморского края.

Климатические особенности Дальнего востока обуславливают необходимость потребления большого количества энергоресурсов на выработку тепловой энергии. Значительная часть тепловой энергии (3045%) вырабатывается децентрализованными источниками- небольшими отопительными и промышленными котельными, вырабатывающими пар и тепловую энергию на нужды предприятий и жилого сектора.

Разработка мероприятий по снижению выброса ЗВ с\ществ\ ющимн предприятиями, определение допустимого выброса для проектируемого

предприятия

На Дальнем Востоке эксплуатируется более 30000 «малых» котлов (теплопроизводительностью до 20 Гкал/час), расположенных в основном в зоне жилой застройки, в том числе в Приморском крае более 5000 котлов. Экологическая опасность котельных «малой» энергетики определяется тем, что они располагаются непосредственно в жилых зонах, оснащены дымовыми трубами малой высоты, ограничивающими возможность интенсивного рассеивания выбросов в атмосфере, оснащены упрощенной системой очистки продуктов сгорания, либо не имеют таковой вообще.

Значительное количество автотранспортных средств делает автотранспорт одним из основных вкладчиков в загрязнение атмосферы (вклад составляет до 12%).

На основании перечня выявленных основных источников загрязнения определены характеристики источников выброса вредных веществ, список основных загрязняющих веществ и методики расчета количества выбросов.

Исследования процессов накопления вредных веществ в атмосферном воздухе в период НМУ целесообразно проводить для конкретной территории, на которой можно выделить приоритетные источники загрязнения.

В качестве объекта исследования выбран г. Уссурийск Приморского края. Выбор г. Уссурийска обусловлен:

- критическим состоянием качества атмосферного воздуха в г. Уссурийске;

- спокойным рельефом местности города, относительной однородностью жилой застройки и характеристиками климатических элементов, упрощающими моделирование;

- наличием на начало момента исследования частичной информационной базы по источникам загрязняющих веществ;

- наличием информации о количестве, типах и характеристиках сжигаемого топлива.

Основными источниками загрязнения атмосферы г. Уссурийска являются дымовые трубы котельных и автомагистрали с движущимся по ним автомобильным транспортом.

На основании проведенных автором исследований выявлены основные характеристики источников выброса, произведены учет и инвентаризация котельных и автомагистралей, располагающихся на территории г. Уссурийска. Всего произведена инвентаризация на 232 предприятиях, включающих в свой состав 262 котельных установки.

В качестве источников загрязнения атмосферы автомобильным транспортом приняты основные автомагистрали города. Интенсивность движения и состав транспортного потока на автомагистралях г. Уссурийска приняты в соответствии с проведенными наблюдениями.

Определены: размер зоны влияния городских источников загрязнения на атмосферный воздух; способность атмосферы данной территории к выведению вредных веществ в единицу времени в зависимости от климатических условий.

Определены расчетным путем степень влияния химического взаимодействия примесей друг с другом и интенсивности осадков на снижение концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе над территорией г. Уссурийска. Ввиду климатических особенностей территории размещения города влияние метеорологических факторов на концентрации примеси незначительно (максимум снижения концентрации приходится: для БОг через 8000 метров от начала координат (за начало координат принят въезд в г.Уссурийск по Владивостокскому шоссе) составляет 0.0045 мг/м3; для N02 через 8000 метров от начала координат и составляет 0.0088 мг/м3), что позволило ими пренебречь.

Определены количественные характеристики процессов накопления загрязняющих веществ в атмосфере г Уссурийска. Для этого: определена средняя высота подъема дымовых газов от источников выбросов (для зимнего периода высота составила 19.2м, для летнего периода Юм); размер зоны интенсивного влияния на атмосферу источниками загрязнения атмосферного воздуха города; площадь интенсивного влияния источников загрязняющих веществ; объем интенсивного влияния источников загрязняющих веществ; количество примеси, вынесенной из объема интенсивного влияния источников загрязняющих веществ за период НМУ, количество примеси, накапливающейся за расчетный период в объеме интенсивного влияния (рисунок 3.1); концентрация, создаваемая количеством примеси, накапливающейся за расчетный период в объеме интенсивного влияния источников загрязняющих веществ; количество выбросов источниками загрязняющих веществ, обеспечивающими нормативную концентрацию загрязняющих веществ в объеме интенсивного влияния.

Замеренные, рассчитанные существующими методами и рассчитанные с учетом накопительных процессов концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, полученные при сходных условиях для г. Уссурийска, приведена на рисунке 3.2.

Разработанная модель оценки загрязнения атмосферного воздуха с учетом накопительных процессов применена для города Уссурийска. Результатом являются расчетные зависимости количества нормативного выброса загрязняющих веществ от скорости ветра, по основным загрязняющим веществам (таблица 3.1).

Проводится проверка достоверности расчетных данных, полученных при использовании метода, основанного на использовании усредненных показателей путем сравнения расчетных данных и данных на турных замеров, произведенных на территории г. Уссурийска.

N02, зима

N02, лета

Ш Валовый выброс источниками ЗВ ■ Масса выносимой примеси

□ Количество примеси, накапливающейся за расчетный период

Рисунок 3.1. Соотношение количества примеси поступающей, выносимой и участвующей в накоплении

8

х

3 2,5 2 1,5 1

&

О

о2'5

2 .*;>2,3

1.1 °п-с! 1,1 "~Ж--Л 4 .О-' /0.3 1,4

У- 1,2 А,9 \/|0

0,6

8

10

0 2 4 6

Номер замера (расчета)

-Значения концентраций N02+502, определенные с помощью расчетов рассеивания

- Измеренные значения концентрации N02+502

■ -О- - - Значения концентраций, определенные с учетом накопительных процессов

Рисунок 3.2. Расчетные и замеренные концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, полученные при сходных условиях для г. Уссурийска

Анализ расчетных данных и данных замеров показал: по диоксиду азота погрешность составила 1.43 %, по диоксиду серы 6.25 %. Определено среднеквадратичное отклонение для результатов замеров и расчетов, выполненных в соответствии с разработанной методикой. Для оксидов азота оно составило 0.5, для оксидов серы - 0.2.

Таблица 3.1

Вещество Аналитическая форма зависимости количества нормативного выброса примеси от скорости ветра, усредненной по периоду (тонн)

Ы02 (зима) М„орм = 434 х и

Ы02 (лето) Мнор„ = 93.62 х и

ЭОг (зима) Мнорм= 1809.48 х и

302 (лето) Мнорм = 1165.26 х и

Мазутная зола в пересчете на ванадий (зима) Мнорм = 48.412 х и

Мазутная зола в пересчете на ванадий (лето) М„орм = 24.126 х и

где Мнорм - нормативный выброс примеси (выброс, при котором концентрация примеси, образовавшаяся в процессе накопления, не превышает гигиенический норматив); и - скорость ветра, усредненная по рассматриваемому периоду.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненного исследования автором предложены новые научно обоснованные подходы к решению важных прикладных задач в области охраны атмосферного воздуха: выявление закономерностей повышения концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе, предложения по прогнозированию выбросов при НМУ.

Основные результаты и выводы.

1. Несмотря на наличие государственной системы контроля над качеством атмосферы, воздух над городами, на территории которых находится большое количество источников выбросов, характеризуется повышенной концентрацией загрязняющих веществ, достигающих максимума в период НМУ. Такая ситуация свидетельствует о наличии факторов, неучтенных существующей системой контроля качества атмосферного воздуха.

2. В процессе исследований выявлено: в существующей практике контроля за выбросами загрязняющих веществ в атмосферу не учитываются процессы, связанные с накоплением примеси в атмосфере и приводящее к бесконтрольному превышению приземных концентраций. Для учета таких процессов автором разработана и апробирована модель,

имитирующая изменения концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.

3. Разработана и апробирована методика определения количественных показателей способности атмосферы к выведению загрязняющих веществ в период НМУ, и, как следствие, допустимого валового выброса загрязняющих веществ предприятиями, расположенными на рассматриваемой территории.

4. Разработана и апробирована методика расчета фоновых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в период НМУ.

5. По результатам проведенных исследований разработаны рекомендации по совершенствованию регулирования загрязнения атмосферного воздуха путем учета накопительных процессов в период НМУ:

- в период НМУ концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе достигают максимальных значений, в связи с этим возникает необходимость прогноза повышения концентраций. В настоящее время такие прогнозы производятся статистическими методами на основе многолетних данных натурных замеров. При отсутствии таких данных прогноз не производится. Предлагается организация прогнозов повышения концентраций загрязняющих веществ математическими методами, на основании разработанных модели и методики определения концентраций загрязняющих веществ;

- в настоящее время нормативы валовых выбросов загрязняющих веществ устанавливаются в случае, когда приземные концентрации, рассчитанные исходя из максимально разовых выбросов, не превышают гигиенических нормативов. Накопление загрязняющих веществ в атмосфере, влияющее на их концентрацию, учитывается принятым условием стационарности процесса переноса (концентрации одноименных веществ от разных источников в одной точке суммируются) и не зависит от общей массы поступившей в атмосферу примеси. Такой подход не позволяет учитывать накопительные процессы и приводит к бесконтрольному повышению концентраций загрязняющих веществ в. Предлагается нормирование валовых выбросов исходя из способности атмосферы к выведению загрязняющих веществ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ВНЕДРЕНИЯ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Стыцюра Д.В. Моделирование в вопросе охраны окружающей среды.// Ежегодный сборник научных трудов НИИ Атмосфера, Санкт Петербург, 2000 - С. 82-87.

2. Стыцюра Д.В. «Анализ моделей распространения примеси в атмосфере». // «Актуальные проблемы энергетики», в номинации «Эколо-

гия и ресурсосбережение», Петербургский Государственный политехнический университет, 2001. - С. 75-79

3. Стыцюра Д.В. Технический норматив и проблема нормирования выбросов вредных веществ. «Актуальные проблемы энергетики», в номинации «Экология и ресурсосбережение», Петербургский Государственный политехнический университет, 2001. - С. 65-68.

4. Стыцюра Д.В. Учебно-методический комплекс «Оценка влияния автотранспорта на качество атмосферного воздуха»//- Владивосток, 2000.

5. Стыцюра Д.В. Проблема загрязнения атмосферного воздуха в условиях городских конгломератов. // Интеллектуальный потенциал ВУЗов на развитие дальневосточного региона, ВГУЭС, 2002 г. - С. 175-179.

6. Стыцюра Д.В. Учет ассимиляционного потенциала атмосферы при нормировании выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. // Интеллектуальный потенциал ВУЗов на развитие дальневосточного региона, ВГУЭС, 2003 г. - С. 161-162.

7. Стыцюра Д.В. Определение количественных характеристик примеси, выносимой за пределы области интенсивного влияния источников загрязнения атмосферного воздуха. // Интеллектуальный потенциал ВУЗов на развитие дальневосточного региона, ВГУЭС, 2004 г. - С. 171-174

8. Стыцюра Д.В. Определение фоновых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. // ДВО РАН. Третья молодежная конференция-конкурс «Географические и геоэкологические исследования на Дальнем Востоке», 2005. - С. 162 - 165.

9. Стыцюра Д.В., Гриванова С. М. Экологические аспекты сжигания разных типов топлива в котлах малой мощности. // Тезисы докладов региональной конференции молодых ученых «Проблемы экологии и рационального природопользования стран азиатско-тихоокеанского региона», изд. ВГУЭС, Владивосток, 1998 г. - С. 190-192.

10. Гриванова С. М., Стыцюра Д.В., и др. Загрязнение атмосферы // Материалы региональной конференции молодых ученых «Проблемы экологии и рационального природопользования стран азиатско-тихоокеанского региона», изд. ВГУЭС, Владивосток, 1999 г. - С 59-62.

11. Стыцюра Д.В., Гриванова С. М. и др. Влияние метеорологических факторов на рассеивание вредных примесей в атмосфере. // Материалы региональной конференции молодых ученых «Проблемы экологии и рационального природопользования стран азиатско-тихоокеанского региона», изд. ВГУЭС, Владивосток, 1999 г. - С. 63-66.

12. Гриванова С. М., Стыцюра Д.В., и др. Оценка воздействия на атмосферу выбросов от автотранспорта при движении в курортной зоне

г.Владивостока. // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы управления-99» изд. ВГУЭС, Владивосток, 1999 г-С. 171-173.

13. Гриванова С. М., Стыцюра Д.В., и др. Пути экологизации промышленного производства. // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы управления-99» изд. ВГУЭС, Владивосток, 1999 г. - С. 174-177.

14. Гриванова С. М., Стыцюра Д.В., и др. Оценка воздействия на атмосферу вредных веществ, от котельных малой мощности, при сжигании различных видов топлив и установление платежей за загрязнение атмосферы. // Сборник материалов международной научно-практической конференции «Охрана атмосферного воздуха: система мониторинга и защиты», 1999, Пенза. - С. 63-66

15. Гриванова С. М., Стыцюра Д.В., и др. Направления экономической стабилизации развития предприятий малого бизнеса. // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы стабилизации экономики», Пенза, 1999. - С. 61-63.

16. Стыцюра Д.В., Гриванова С. М. и др. Оценка методов расчетов вредных выбросов. // Сборник материалов международной, научно-практической конференции «Охрана атмосферного воздуха: система мониторинга и защиты», 2000, Пенза. - С. 35-37.

17. Гриванова С. М., Стыцюра Д.В., и др. Использование основных положений закона об охране окружающей природной среды РФ для нормирования вредных выбросов в атмосферу. // Сборник материалов международной, научно-практической конференции «Охрана атмосферного воздуха: система мониторинга и защиты», 2000, Пенза. - С. 37-39.

18. Стыцюра Д.В., Гриванова С. М. и др. Мониторинг состояния атмосферного воздуха при сжигании углей на малых котельных. // Материалы международного экологического симпозиума «Перспективные информационные технологии и проблемы управления на пороге нового тысячелетия», Санкт-Петербург, 2000. - С. 63-66.

19. Стыцюра Д.В., Гриванова С. М. и др. Исследование процессов рассеивания вредных выбросов в приземном слое атмосферы. // Материалы чтения «Приморские зори 2000», Владивосток, 2000. - С. 100-102.

20. Гриванова С. М., Стыцюра Д.В., и др. Влияние вредных выбросов на состояние окружающей среды. Материалы чтения «Приморские зори 2000», Владивосток, 2000. - С. 49-52.

21. Гриванова С. М., Стыцюра Д.В., и др. Мониторинг за воздействием на окружающую среду завода по производству безалкогольных напитков. // Материалы чтения «Приморские зори 2000», Владивосток, 2000. - С. 52-54

22. Стыцюра Д.В., Гриванова С. М. и др. Пути экологизации объектов малой энергетики..// Материалы чтения «Приморские зори 2000», Владивосток, 2000. - С. 105-107.

23. Стыцюра Д.В., Гриванова С. М. и др. Экологические аспекты проблемы принятия управленческих решений. // Международная научно-практическая конференции «Актуальные проблемы управления — 2000», Россия, Москва, ГУУ, 2000 - С. 56-59.

24. Стыцюра Д.В., Гриванова СМ. Мониторинг за состоянием атмосферного воздуха г. Уссурийска Приморского края. // Инновационные процессы в управлении предприятиями и организациями, ВГУЭС, 2002г.-С. 401-403.

25. Гриванова С. М., Стыцюра Д.В., и др. Исследование процессов турбулентности и диффузии при рассеивании вредных примесей в приземном слое атмосферы. // Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет, 2003 г. - С. 239-240.

На правах рукописи

Стыцюра Дмитрий Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОВЫШЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ В ПЕРИОД НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

Специальность 25.00.36 «Геоэкология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самая искренняя благодарность за постоянную научную поддержку автору, начальнику ОПВК ВГУЭС, канд. экон. наук. Хабибуллину У.П.

В авторской редакции Компьютерная верстка М.А. Портновой

Лицензия на издательскую деятельность ИД № 03816 от 22.01.2001

Подписано в печать 31.05.2005. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,6. Уч.-изд. л. 1,4. Тираж 400 экз.Заказ 6б&

Издательство Владивостокского государственного университета экономики и сервиса 690600, Владивосток, ул. Гоголя, 41 Отпечатано в типографии ВГУЭС 690600, Владивосток, ул. Державина, 57

1671