Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Математическое и натурное моделирование массообмена, аккумуляции и вторичного выноса атмосферных примесей лесными массивами

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Математическое и натурное моделирование массообмена, аккумуляции и вторичного выноса атмосферных примесей лесными массивами"

I и .ип ' На правах рукописи

ГЕЛЬФЕНБУЙМ Исаак Виеторович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И НАТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАССООБМЕНА, АККУМУЛЯЦИИ И ВТОРИЧНОГО ВЫНОСА АТМОСФЕРНЫХ ПРИМЕСЕЙ ЛЕСНЫМИ МАССИВАМИ

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск - 1996

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете и Пермском областном комитете по охране природы .

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Трусов П.В. кандидат технических наук, доцент Бояршинов М.Г.

Научный консультант:

академик РЭА, профессор Зайцева Н.В. Официальные оппоненты:

доктор технических наук , профессор Никулин В.А.

кандидат технических наук Кургузкнн М.Г.

Ведущая организация : Государственный институт прикладной экологии (ГИПЭ).

Защита состоится 8 апреля 1996 г. в часов на заседании диссертационного совета К - 064.47.09 в Удмуртском государственном университет по адресу : 426034, г Ижевск, ул. Красногеройская, 71. корп.1 '/¿^у?

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УдГУ

Автореферат разослан 7 марта 1996 г.

Ученый секретарь диссертационнгого совета,

кандидат биологических наук . Баранова О.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Эффективность природоохранных решений в условиях интенсивной техногенной нагрузки окружающей среды промышленно развитых территорий определяется не только полнотой контроля за объемом и составом выбросов , но и адекватностью идентификации условий и закономерностей распределения примесей в атмосфере (Охрана природы. Атмосфера. Источники и метеорологические факторы загрязнения, промышленные выбросы . ГОСТ 17.2.1.04-77.; Г.И. Марчук, 1982; Э.Ю. Безуглая, ¡986; Ю.И. Малов , Л.К. Мартинсон , 1992; ЗИпнск в., 1992 и др.).

По данным государственной службы наблюдений за состоянием окружающей среды за последние 10 лет в целом по России отмечается снижение количества выбросов вредных веществ , в том числе за счет уменьшения объемов производства, реконструкции и технического перевооружения предприятий химической промышленности , черной и цветной металлургии. Вместе с тем, кризисная ситуация значительного загрязнения воздушного бассейна в целом сохраняется. В соответствии с материалами государственного доклада" О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1994 " Пермская область по объему выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников в атмосферу относится к числу территорий с наибольшими удельными показателями ( 2.7 % от общего объема по Российской Федерации ), а город Пермь - к числу 43 городов с высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха. На территории г. Перми сосредоточено около 43 % промышленного производственного потенциала , и около 30 % основных производственных фондов.

Известно, что на рассеивание примесей в условиях промышленно-селитебных зон существенно влияют наземные препятствия (архитектурно-планировочное решение территории, зеленые массивы, водные объекты и т.д.). Наряду с нормативно -регулирующими, наблюдательными, экспериментальными методами в последние десятилетия особое значение в решении экологических проблем приобретает математическое моделирование различных процессов, в особенности на стадии проработки проектов жилого и промышленного строительства.

Теоретические основы массобмена и аэродинамические соотношения для моделирования ветрового потока и переноса загрязняющих примесей для принятия архитектурно-планировочных решений жилых микрорайонов достаточно глубоко разработаны ( И.Е. Синицына , 1993 ; А.П. Курковский, М.Г. Левахин, 1994 и др. ). Вместе с тем, в рамках этих проблем роль зеленых насаждений, крупных растительных или лесных массивов как площадных источников вторичного загрязнения селитебных территорий за счет аккумуляции атмосферных примесей фактически остаются неизученными, не имеют научного и нормативно- правового обоснования , и, следовательно, не учитываются в практике принятия природоохранных решений и экологической экспертизе.

В связи с изложенным, следует признать выбранную тему исследований достаточно актуальной.

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ являлись промышленно развитые и лесопарковые зоны, находящиеся в условиях высокой аэрогенной нагрузки ( на примере г. Перми). В качестве предмета исследования была выбрана воздушная среда лесопарковой зоны городской застройки, как потенциальный источник загрязнения атмосферы, наименее изученный и оцененный с научной и практической точки зрения.

ЦЕЛЬЮ ИССЛЕДОВАНИЯ являлось установление закономерностей массообмена, аккумуляции и вторичного выноса атмосферных примесей растительными массивами.

В качестве научной гипотезы было выдвинуто предположение о том, что воздушная среда лесных и лесопарковых массивов промышленно развитых зон за счет аккумуляции атмосферных примесей может являться источником вторичного загрязнения атмосферы. В соответствии с поставленной целью и научной гипотезой рассмотрены следующие задачи:

• Провести ранжирование основных источников загрязнения атмосферы по объемам пылегазовых выбросов.

• Выделить зоны аномально высокого загрязнения территории города на основании расчетов рассеивания примесей в атмосфере и кластеризации аэрогенной химической нагрузки.

• Разработать методику и алгоритмы оценки переноса, накопления и вторичного выноса аэрогенных примесей лесными массивами.

* Провести верификацию предложенных математических моделей динамики массопереноса и аккумуляции примесных загрязнений в условиях натурного эксперимента.

• Разработать рекомендации по порядку учета вторичного аэрогенного загрязнения объектов окружающей среды в системе государственной природоохранной деятельности.

МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЙ БАЗОЙ исследований являлись методы статистического анализа динамических данных, расчета рассеивания загрязнений в атмосфере по результатам инвентаризации выбросов , кластерного анализа и зонирования территории, математического моделирования движения газового потока по выделенной области и рассеивания газовым потоком частиц примеси в виде взаимосвязанных задач в двумерной формулировке, натурного эксперимента и верификации моделей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЙ

«Впервые предложена и реализована методология зонирования территории на основании комплексног о расчетно- кластерного статистического исследования, прогнозирования и идентификации аэрогенной нагрузки вредных примесей на атмосферу в условиях крупного города.

•Выполнены построение и анализ одномерной математической модели с целью проверки обоснованности физической гипотезы переноса загрязнений воздушной среды лесных массивов и уточнения концептуальной постановки задачи.

' «Выполнены построение и анализ двумерной математической модели учета движения воздушных потоков сквозь лесной массив и над ним, оценки условий и возможности аккумуляции и вторичного выноса примесей, построение картины распространения газообразного вещества.

•Разработаны и реализованы алгоритмы и программное обеспечение для решения поставленных задач.

•Выполнено планирование и реализован натурный эксперимент по верификации предложенных математических моделей. Установлены закономерности обмена техногенных загрязнений в воздушных средах лесного массива прилегающих территорий. Впервые научно обоснована роль лесных массивов как источников вторичного ( аномально высокого ) загряз-

нения атмосферы и доказана необходимость учета этих факторов при регламентировании предельно допустимых выбросов, оценке фоновых концентраций примесей, разработке природоохранных решений. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Результаты работы использованы при разработке:

• Государственных докладов " О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации " (в 1993,1994 гг.).

Направлений развития сотрудничества по вопросам экологии между Министерством охраны окружающей среды Нижней Саксонии и Пермским областным комитетом (Протокол о намерениях от 23.04.94, п. I).

• Концепции территориальной системы экологического мониторинга Пермской области в составе Единой Государственной системы экологического мониторинга России (письмо Минприроды РФ № 19-4 от 05.02.96).

• Направлений работ в деятельности центра международных проектов (акт внедрения № 3/13 от 20.02.96).

• Федеральной целевой программы "Экологическая безопасность Урала" (письмо УралНИИ "Экология" Минприроды РФ № 40 от 19.02.96г).

• Программы создания единой территориалной системы мониторинга Пермской области в 1995-1996 гг. (письмо Администрации Пермской области от 07.02.96).

• Анализа экологической обстановки крупных промышленных центров Тюменской области (письмо Тюменского областного комитета окружающей среды и природных ресурсов № 276 /МАП от 22.02.96).

• Рекреационных мероприятий в лесопарковой зоне г. Перми и других регионов Пермской области (письмо Академии МТН, Пермское региональное отделение № 13-11 от 31.01.96).

Материалы работы легли в основу информационно- программной системы в составе следующих внедренных в практику разработок, сертифицированных межрегиональным координационным советом по компьютеризации в системе Минприроды Российской Федерации :

• Автоматизированное рабочее место по сбору , накоплению, обработке и анализу информации о промышленных выбросах в атмосферный воздух ( сертификат № 7 от 14.02.95 ).

• Автоматизированное рабочее место по ведению баз данных нормативов предельно-допустимых выбросов предприятий (сертификат № 5 от 14.02.95).

Материалы и результаты исследований внедрены в практику природоохранной деятельности Пермского областного и территориальных

комитетов охраны природы, а также в учебном процессе при подготовке инженерных кадров - инженеров - экологов в Пермском государственном техническом и педагогических университетах и повышении квалификации специалистов различного профиля , работающих в области государственного природоохранного контроля и охраны природы. По материалам выполненной работы поданы две заявки на изобретения.

ОСНОВНЫЙ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

• Методические основы оценки и ранжирования территории по вели чинам аэрогенной нагрузки .

• Математическая модель перенос;«, накопления п вторичного выноса атмосферных примесей воздушными потоками растительных массивов.

• Особенности распределения атмосферных примесей в boiiyuihoи среде зоны растительных массивов в натурных условиях при различных микроклиматических параметрах.

• Информационно-программное обеспечение для решения поставленных задач.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные положения и материалы диссертационном работы докладывались на региональной научно- практической конференции "Научные и практические аспекты охраны природной среды в Пермской области (Пермь, 1978 ), экологической секции Межведомственного Ooeeia по ко ординацин научных исследований при Президиуме УНЦА НСССР ( Свердловск, 197В !.); международном научно практической конференции Рпо Report "Conversion and the Fnviionment (Russia Perm 1907) Межлл народном жологическом форуме "С ilobal Forum4) }" (hntjland, Manchester, 1 (>91 ). региональной научно-технической конференции "Химия и химическая технология ' (Пермь, 1995), межрегиональной науч но-практической конференции "Проблемы экологического мониторинга (Уфа. 1995 ) и др. В полном объеме материалы диссертационной работы апробированы на совместном заседании кафедр охраны окружающей среды и математического моделирования систем и процессов Пермского г осударственного технического университета и президиума Пермского регионального отделения Российской экологической Академии ( протокол №4 от 22.12. 95).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертации изложены в 10 печатных работах.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, рекомендаций, списка литературы и приложения. Работа изложена на 159 страницах, содержит 51 графических иллюстраций, 21 таблиц. Указатель литературы содержит 117 источников, из них 68 отечественных, 49 зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава первая посвящена анализу существующих публикаций, касающихся исследований влияния интенсивных техногенных нагрузок промышленных территорий на характеристики качества атмосферного воздуха. Значительное внимание в последнее время уделяется исследованию результатов воздействия выбросов промышленных предприятий на лесные экосистемы, лесопарковые зоны, зеленые насаждения с целью оценки устойчивости этих систем к воздействию антропогенных и климатических условий. В большинстве работ рассматриваются вопросы изучения влияния атмосферных токсикантов на структуру и функции лесных экосистем, их материальный и энергетический балланс, газообмен и водообмен. Основной целью таких исследований является установление пороговых концентраций вредных примесей в атмосфере, превышение которых приводит к нарушению гомеостаза экосистем. Доказано, что растительность в условиях загрязнения с неодинаковой избирательной способностью интенсивно аккумулирует разнообразные по свойствам и взаимодействию металлы ( калий, железо, никель, медь и др.) органические вещества, в том числе элементы, не играющие существенной биохимической роли, но вовлекаемые в круговорот веществ.

Вместе с тем, практически не уделяется внимание важнейшим вопросам обратного воздействия растительных массивов на формирование атмосферных нагрузок в микроклиматических условиях городских территорий. Не имеет научного и методического обоснования возможность вторичного загрязнения атмосферы воздушной средой лесных массивов при переменной микроклиматической составляющей и исчерпанности самоочищающей способности растительности промышленно развитых зон.

В современной литературе в достаточной степени отражены исследования, ведущиеся в области натурного и теоретического моделирования атмосферных явлений, переноса, осаждения, растворения и взаимодействия загрязняющих примесей, оценки физической и химической сторон этих явлений.

Вместе с тем, число публикаций , посвященных вопросам аккумуляции и вторичного выброса лесными массивами загрязняющих веществ, нельзя назвать большим. Явно недостаточно внимания уделяется физико-математической стороне этого явления. Необходимосгь детального изучения экологических процессов , происходящих внутри и в непосредственной близости от лесных массивов, явилась причиной постановки проблемы, разработки математической модели переноса, аккумуляции и вторичного выброса газовых примесей лесным участком.

Вторая глава содержит сведения об объектах и методах исследований. Общая оценка аэрогенной нагрузки произведена для территории г. Перми площадью 797.8 км 2, на которой проживает 1041.8 гыс. человек с плотностью населения 1358 чел/ м2. Для оценки динамики валовой нагрузки сформированы информационные базы данных в рамках разработанных программных продуктов (АРМ "Выброс" и АРМ "Нормативы ПДВ") для более чем 200 предприягий ( из них 212 с угвержденными нормативами ПДВ и 6-ВСВ), 11562 источников выбросов ( из них организованных 10584). Первичной информацией явились отчетные формы ACO ИЗА в соответствии с РД "Руководство по контролю загрязнения атмосферы "РД 52.04.186-89 (М.,1991). Информационная база обобщает более 40000 наблюдений за 1981-95гг. по 8 постам наблюдения ПЦГМС и 25 химическим примесям : пыль, диоксид серы, растворимые сульфаты, оксид углерода, диоксид азота, сероводород, фенол, фтористый водород, хлор, хлористый водород, аммиак, формальдегид, бензол, ксилолы, толуол, этилбензол, кадмий, марганец, медь, никель, свинец, хром, цинк, бенз(а)пирен). Решение задачи зонирования территории города для определения участка высокой аэрогенной экострессорности производилось с использованием программного комплекса "Эколог" версии 1.3. Расчеты рассеивания выбросов выполнены по 116 химическим примесям и 12 группам суммационного действия, массив данных о выбросах сформиро-

ван по 900 предприятиям города и насчитывает данные о 800 стационарных источниках выбросов.

Разработанный программный комплекс позволяет визуализировать результаты расчетов на картографической основе.Интегральная оценка полей концентраций загрязняющих примесей выполнены методом кластерного анализа в среде SAS с исчислением общности точек с нагрузками : 0.1ПДК; 0.5ПДК; 0.1ПДК; 5.0ПДК; Ю.ОПДК с учетом суммации и профилизацией загрязнения территории с целью выделения зон высокой экострессорности по комплексу аэрогенных примесей. С целью проверки обоснованности физической гипотезы о возможном накоплении и вторичном выносе загрязняющих веществ в условиях возвратного направления ветров из городских лесных массивов в качестве модельного был выбран естественно аэрируемый лесной массив юго-западной части г. Перми длиной 10 км и шириной 3 км, находящийся на румбе приоритетных ветров и расположенный между крупными источниками загрязнения атмосферы г. Перми и жилой застройкой.

Методически алгоритм построения модели и описание рассматриваемого процесса требовали решения пространственной задачи движения рассеянных газовых частиц в потоке воздуха, включающей дифференциальные уравнения газовой динамики (Навье - Стокса, несжимаемости) и диффузии в частных производных с соответствующими начальными и граничными условиями

Верификация математических моделей была выполнена в форме натурного эксперимента по 25 точками и 12 показателям ( сумма углеводородов, бензол, толуол, этилбензол, сумма ксилолов, метиловый спирт, бутиловый спирт, изобутиловый спирт, фенол, метилэтилке-тон).Аналитически сумму углеводородов, бензол, толуол, этилбензол, сумму ксилолов определяли методом газовой хроматографии на хроматографе "Цвет - 500 " модель 60 с плазменно - ионизационным детектором и хроматографической насадкой хроматон NAW. Концентрации метанола, метил-этилкетона, бутилового и изобутилового спиртов определяли методом газовой хроматографии на хроматографе "Цвет - 500 " модель 60 с плазменно - ионизационным детектором и хроматографической насадкой хроматон NAW с 10% Твин 40. Определение концентраций фенола в атмосферном воздухе проводили методом плазменно - ионизационной газо-

вой хроматографии на хроматографе MGC - 4000 , хроматографическая насадка - хроматон NAW 0.1 И - 0.2 м и с нанесением 15% ПФМС - 4. Отбор проб атмосферного воздуха проводился при фиксированном направлении ветра в заданных точках на высоте 0.5 и 1.7 м от поверхности почвы. В момент отбора проб фиксировали температуру, давление, относительную влажность и направление ветра. В целом по всем ингредиентам было выполнено 5060 анализов, По результатам проведенных наблюдений рассчитывали максимальные концентрации веществ 2 и 3 классов опасности и их минимальные значения, средние концентрации за период наблюдения при различных направлениях ветров, а также распределение концентраций веществ при ветрах преобладающих и противоположных направлений (180 - 225 225- 270 315 - 45 °).

Таблица I

Валовые выбросы основных загрязняющих веществ от стационарных _источников, тонн/год._

Ингредиент 1993 г. 1994 г.

Выброшено всего 116450.6 100474.0

Твердые 5818.9 4424.2

Газообразные н жидкие 110631.7 90048.6

Углеводороды, в том числе: 48491.9 43455.6

Бензол 539.7 522.7

Ксилол 410.0 372.9

Ангидрид сернистый 29579.9 21637.8

Азота диоксид 18434.4 16639.0

Углерода окись 12389.4 13028.1

Аммиак 950.3 1010.1

Сероводород 49.9 39.3

Стирол 16.8 23.7

Формальдегид 10.6 5.3

Спирт этиловый 234.9 137.4

Этилбензол 95.8 138.8

Толуол 565.3 611.9

Глава третья посвящена анализу и ранжированию основных источников загрязнения атмосферы г. Перми. Пылегазовые выбросы промышленных предприятий г. Перми в 1994 году содержали более 300 ингредиентов. Основными загрязняющими веществами по городу явились углеводороды, (в частности летучие органические соединения, бензол, толуол, ксилол), сернистый ангидрид, диоксид азота, оксид углерода, пыль и др. В таблице I приведены массы примесей, выбросы которых составляли не менее 10 тонн / год. Как видно из таблицы 1,

валовый выброс по г. Перми за последние годы снизился практически по всем ведущим , как правило, общераспространенным компонентам . Вместе с тем, по ряду высокотоксичных соединений динамика снижения выбросов крайне незначительна, а по стиролу, этилбензолу , толуолу отмечается прирост выбросов. Аэрогенная нагрузка по районам распределена неравномерно. В таблице 2 приведены данные по выбросам загрязняющих веществ от стационарных промышленных источников районов города.

Таблица 2

Выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух районов

г. Перми от стационарных источников в 1993 - 1994 гт.

Районы города Выброшено всего тыс. тонн/ год 1993 г. Выброшено всего тыс. тонн/ год 1994 г. Приведенная масса тыс. усл. тонн/год 1994 г.

Индустриальный 74.4 66.1 728.5

Кировский 11.1 10.1 323.8

Орджоникидзевскин 10.9 9.2 164.9

Свердловский 8.8 6.9 185.3

Дзержинский 6.4 4.6 81.3

Мотовилихинский 3.9 3.0 96.4

Ленинский 0.7 0.6 10.9

Всего по городу: 116.5 100.5 1586.8

Как видно из таблицы 2 , основной валовый объем по городу формируют предприятия Индустриального района (60%). Величину и динамику валового выброса определяют 5 крупнейших предприятий города (таблица 3).

Таблица 3

Долевые вклады ведущих источников по величине валового выброса (1994).

Название предприятия Валовый выброс, тонн Вклад в выброс по району, %

АО " ЛУКойл-Пермнефтеоргсинтез" 44296.367 67.1

ТЭЦ - 9 11552.593 17.5

АООТ "Нефтехимик" 6163.699 9.3

АО "Минеральные удобрения 2529.667 3.8

АО "Пермский газоперерабатывающий завод" 569.938 0.9

ГП Пермавтодор (битумная установка) 177.377 0.3

УПТКтр. 14 160.729 0.2

АО "Морион" 153.843 0.2

Таким образом, предприятия Индустриального района г. Перми формируют устойчивый уровень техногенной нагрузки атмосферы

комплексом вредных веществ, в том числе углеводородами, сероводородом, оксидом углерода, фенолом, бензолом, этилбензолом, бутиловыми спиртами и др. Приоритетные ранги объема нерассеянных эмиссий определили выбор Индустриального района г. Перми и его лесопаркового массива в качестве объекта наблюдения как зоны высокой экологической нагрузки.

Глава четвертая посвящена анализу техногенной нагрузки на атмосферный воздух и его качества юго-западной части г. Пер-ми.Контроль качества атмосферного воздуха в городе осуществляется на 8 стационарных постах ПЦГМС и на 14 ведомственных постах промышленных предприятий, в большей или меньшей степени город загрязнен повсеместно. В таблице 4 приведены среднегодовые концентрации некоторых загрязняющих веществ в 1994 году в целом по городу по данным государственных стационарных постов наблюдения (таблица 4).

Метеорологические условия в 1994 году мало отличались от среднем ноголетних. В течение 65 дней в году наблюдались приземные или приподнятые инверсии, в течение 80 дней были зафиксированы крайне низкие (0-1 м/с) скорости или застойные явления , т. е создавались условия для формирования высоких приземных концентраций загрязняющих веществ. В Перми преобладали южные и юго-западные ветра и штилевые состояния атмосферного воздуха.

Таблица 4

Среднегодовые концентрации загрязняющих веществ по г. Перми за 1995

г.

Вещества Концентрации, мг/м 3, с.г. Доли ПДК

Пыль 0.1! 0.73

Диоксид азота 0.04 1.0

Фенол 0.003 1.0

Фтористый водород 0.014 2Я

Формальдегид 0.007 2.33

Анилин 0.001 0.03

Бензол 0.02 0.2

Ксилол 0.05 0.25

Стирол 0,009 4.5

Толуол 0.04 0.07

Этилбегоол 0.019 0.95

Бенз (а) пирен, мг/м3 х Е1м 21 2.1

Потенциал загрязнения атмосферы Перми составляет 3.05 %, Среднегодовые концентрации превышали допустимые уровни по фтористому водороду , формальдегиду,бенз(а)пирену. Максимальные из разовых концентраций диоксида азота, формальдегида, хлористого водорода, оксида углерода достигали 4-10 ПДК, аммиака , пыли , диоксида серы - 3 ПДК. Во всех районах города, особенно в зимний период наблюдалось высокое содержание бенз (а) пирена. Анализ многолетних данных наблюдений показывает, что резкое снижение промышленных выбросов не дает адекватного значительного улучшения качества атмосферного воздуха города. С 1989 года стабильное снижение концентраций примесей в атмосфере зафиксировано только по соединениям меди и бенз(а) пирену. по остальным ингредиентам тенденция к снижению либо очень слабая (диоксид серы, формальдегид, аммиак, диоксид азотафенол, цинк ) либо вообще отсутствует (оксид углерода , сероводород, фтористый водород, ряд тяжелых металлов). Важным фактором загрязнения атмосферы являлись пиковые нагрузки при относительно устойчивых величинах среднесуточных и среднегодовых концентраций. Кратности превышения ПДК м.р. по сероводороду, хлористому водороду, диоксиду азота, бенз (а) пирену , ароматическим аминам и углеводородам составляли 1.5-10 раз. При подфа-кельных и маршрутных исследованиях были зафиксированы концентрации ( указаны средние для 50 измерений величины ); бензола - на уровне 1.69 мг/м3 (16.9 ПДК), фенола - 0.008 мг/м3(2.7 ПДК); аммиака -0.57 мг/м3 (14.2 ПДК); толуола - 0.94 мг/ м3 (1.57 ПДК).

Маршрутными исследованиями в условиях слабых и приподнятых инверсий и ветров северо-восточного, северного, северо-западного направления и в моменты минимальной мощности производства, предприятий юго-западной группы г. Перми (зимний период) были обнаружены разовые аномально высокие концентрации углеводородов (312 ПДК м.р.), бензола, толуола, этилбензола, суммы ксилолов, бутиловых спиртов и др. ( специфические компоненты выбросов предприятий юго-западной группы)-Величины комплексных индексов загрязнения атмосферы (К.В.Буштуева, 1989) свидетельствует о том, что интегральный показатель, учитывающий классы опасности загрязнений и реаль-

ные концентрации примесей имел максимальные значения в Индустриальном районе (таблица5).

Таблица 5

Комплексные индексы загрязнения атмосферы по районам и постам __г. Перми__

Номер поста Район КИЗА

12 Ленинский 9.5

13 Мотовилихинский 12.7

14 Свердловский 17.4

16 Дзержинский 11.3

17 Индустриальный 22.4

18 Кировский 12.6

20 Орджоникидеевский 13.2

Результаты расчета рассеивания более 200 примесей в атмосфере от приоритетных источников г. Перми по результатам их инвентаризации позволили выявить точки, зоны и области высокой аэрогенной нагрузки по каждому компоненту с учетом группы суммации ( подготовлено и обработано более 100 карт). Вместе с тем, достаточно пестрая многокомпонентная нагрузка всей территории города определила необходимость получения интегральной картины для выделения ареала высокого риска экострессорности . Решение этой задачи методом кластерного анализа в среде SAS (3D Sequential Graph) позволило вы делить на территории города несколько кластеров загрязнений в диапазоне суммарной нагрузки в долях ПДК м.р. от 0.682 до 9.418. На ри сунке 1 представлены полученные зоны суммарно высокого загрязнения ( более 10 ПДК) , среди которых масштабную приоритетность имеет юго-западная зона.

ПДКм.р.

0.682 1.265 1.847 2.429 3012 3.594 4.176 4.759 5.341 5.924 6.506 7.088 7.671 8.253 8.835 9.418.

о КМ

Рис.1 Результаты кластерного анализа и зонирования территории г. Перми

Глава пятая посвящена построению математической модели для оценки аккумуляции и вторичного выноса атмосферных примесей лесным массивом.

Учитывая насыщенность юго-западной зоны и центральной части г. Перми лесными и растительными массивами и установленные маршрутными исследованиями аномально высокие концентрации в атмосфере ряда органических соединений предприятий юго-западной зоны при ветрах северо- восточного и северного направлений , решались задачи математического и натурного моделирования возможного накопления примесей и вторичного их выноса лесными массивами : в качестве модельной области был выбран лесопарковый массив юго-западной части г. Перми, являющийся рекреационной зоной и по результатам кластерного анализа относящийся к зоне максимальной аэрогенной нагрузки.

Для решения указанной выше проблемы в двумерной формули ровке последовательно решались две связанные между собой задачи: -движение газового потока по выделенной области;- рассеивание газовым потоком частиц примеси; для решения этой задачи поле скоростей определялось решением первой задачи.

Постановка задачи влючает следующие уравнения: -несжимаемости: V У = б, хеО;

ЭУ - - - 1 -

- Навье-Стокса: — + V -УУ = —-Ур+ + Р, хей,

Э( р

- диффузии: —■+• V Уф = рЛф, хеО

с граничными: УО,х) = У0(1), <р(1,х) = <р0(1), р(Т,х) = р0(0. хеЭО0,

УУ(1,х) п = 0, = хеЭв,

Эп

и начальными условиями:

У(0,х)==Уо(х), ф(0,х) = фс(х), р(0,х) = ро(х), хев.

Здесь использованы обозначения: V- вектор скорости; р- давление; ф-концентрация примеси; К, ц- коэффициенты диффузии и вязкости; I-время; х - радиус вектор точки пространства; сЮ0, «Ю, - "входная" и "выходная" границы рассматриваемой области .Ё - вектор силы сопро-

тивления движению воздуха внутри лесного участка; F = -k(V)V, к -коэффициент сопротивления (Дубов A.C. и др., 1979).

Для решения этой задачи наиболее эффективен метод расщепления (Марчук Г.И., 1986; Яненко H.H., 1981), при котором решение исходной задачи заменяется последовательнойстью решения ряда одно-

Эи, du. , 32u, 1 Эр k(V) . _ _

мерных задач:—L + u—i--X—р =----—5—^и., и (tk,x) = u(tk,x),

dt Эх Эх р Эх р

Эи 3t

Эиг эч

Эу

Эу, а\

Эу

Эу2 хэч

Эх Эх2

Эу, Эу, Э V | Эр к(У) Э1 Эу Эу р Эу р

+ = у!(1к,х) = у,(1к+,,х),

Э1 Эх Эх"

= ф](1к,х) = ф(11,Х),

<)1 Эх

Э| Эу

В этом случае решение новой системы дифференциальных уравнений с точностью 0(тг) аппроксимирует решение исходной задачи.

Необходимо отметить, стационарное уравнение несжимаемости заменено поиском стационарного решения эволюционного уравнения (в соответствии с идеей метода "искусственной- сжимаемости"): Эр 1 ГЭи Эу ^ „ „

—+— — + — =0,у- параметр, регулирующии устойчивость вычисли-Э1 Эх Эу)

тельного процесса. Результаты работы по предложенному алгоритму и программам показали четкую закономерность прохождения вещества через лесной массив (рис. 2) на примере суммы углеводородов со входной концентрацией 0.0012 г/м3. Расчетные концентрации примесей свидетельствует о том, что лесной массив , являясь механическим препятствием загрязненным массам воздуха , способен их аккумулировать и задерживать рассеивание в атмосфере ( при времени 4000 сек. концентрация углеводородов в воздушной среде лесного массива превышает наружную в 4 раза). Образование застойной зоны подтверждается и дальнейшей достаточно медленной динамикой массобмена на границе раздела воздушных сред лесного массива и свободной территории. Общее время флуктуации загрязненной воздушной массы зависит от плотности и высоты лесного массива, и может быть значимо для формирования

Рис.:. Распределение концентрации примесей на территории, содержащей лесной участок, а) 500 с Ь) !ООО с с) 1500 с с!) 3500 с е) 4000 с 0 4500 с £ ) 5000 с И) 6500 с

вторичного источника загрязнения при штилевых условиях или ветрах возвратных направлений, даже если воздушные массы, обдувающие лесной массив, не содержат аэрогенных примесей. Глава шестая посвящена результатам натурного эксперимента и верификации математических моделей.Натурные наблюдения проводились в зимне-весенний период. Выбор зоны и компонентов наблюдения определялся предварительным анализом экологической ситуации, уровнем экологической нагрузки от стационарных источников. К анализируемым компонентам были отнесены наиболее существенные по критериям экологического риска : сумма углеводородов, бензол, толуол, этилбензол, сумма ксилолов, метиловый спирт, бутиловый спирт, изобутиловый спирт, фенол, метилэтилкетон. Результаты направленного натурного исследования показали высокий уровень адекватности разработанных моделей . Наиболее высокие концентрации примесных компонентов в натурных замерах были определены в точках прогнозируемого условного факела юго-западной группы предприятий. По оси расположения точек 14-21 регистрировали наиболее высокие концентрации по углеводородам , толуолу, этилбензолу, метиловому, бутиловому, изобутиловым спиртам и фенолу.

Рис.3 Средние концентрации загрязняющих веществ при направлении ветра 180-270

Рис. 4 Средние концентрации загрязняющих веществ при направлениях ветра 315-45

Результаты направленного натурного исследования показали высокий уровень адекватности разработанных моделей . Наиболее высокие концентрации примесных компонентов в натурных замерах были определены в точках прогнозируемого условного факела юго-западной группы предприятий. По оси расположения точек 14-21 регистрировали наиболее высокие концентрации по углеводородам , толуолу, этилбензолу, метиловому, бутиловому, изобутиловым спиртам и фенолу. Максимальные концентрации загрязнений фиксировали в точках, расположенных на границе лес-застройка. Область наибольшего загрязнения , таким образом, располагалась внутри лесного массива. Так, по линии расположения точек 14-21 средние концентрации , замеренные в сопоставимо одно и тоже время имели тенденцию сначала к росту, а затем к снижению по мере приближения к противоположной границе леса. Особенно четко эта зависимость наблюдалась при направлении ветров 180-225° (рис.3 ).

Аналогичные зависимости изменения концентраций практически для всех исследуемых ингредиентов наблюдались и по оси расположения точек 1 - 8. При ветрах со стороны промузла по краю леса ( в точках 1,2) регистрировали наименьшие концентрации, затем наблюдали рост загрязнений в точках 6, 7 и постепенное снижение содержания примесей к зоне микрорайона Парковый в точке 8 ( рис. 4). Таким образом, при направлении ветров со стороны промузла лес выполняет аккумулирующую функцию. При этом снижается роль лесного массива как рекреационной зоны, поскольку в глубине леса фиксируется повышение концентраций загрязнений.

Рис. 5. Динамика изменения концентраций Рис.6 Динамика изменения концентраций газовой при-газовой примеси в растительном массиве меси в растительном массиве (углеводороды , 13-320(1 с (углеводороды, 5-1200 с. 6-1400 с. 7-1600 с. 9- 14-3400 с, 15-3800 с, 16-4600 с, 17-5500 с. 18-7000 с) 2000 с)

- результаты натурных исследований

При преимущественно северных направлениях ветра ( 315-45° ) максимум загрязнений смещается к южному краю леса к точкам 16,17,18, 23,23, 24, 25 ( рис. 4). При этом максимум концентраций сохраняется на границе лес-застройка. Таким образом, северный ветер перемещает область загрязнения в обратном направлении , что приводит к аномально высоким концентрациям загрязнений на южной ipa-нице массива.

На рис. 5, 6 приведены профили концентраций углеводородов для некоторых моментов времени, полученные с помощью одномерной модели процесса аккумуляции примеси. Здесь же указаны результаты натурных замеров концентраций примесей. Сопоставление расчетного и экспериментальных значений концентраций показывает удовлетворительную степень соответствия компьютерной модели реальному процессу распространения примеси в лесном массиве (расхождение результатов лежит в пределах ±10 %).

ВЫВОДЫ

I Методом статистически - пространственной кластеризации территории г. Перми выявлены интегральные зоны высокой многокомпонентной аэрогенной нагрузки с превышением расчетных концентраций по величинам ПДК м.р. до 10 раз. Величины интегрального коэффициента загрязнения атмосферы составили от 9.5 до 22.4 , максимальные значения обусловлены в основном выбросами предприятий

южной и юго-западной зоны города (нефтехимическая и химическая промышленность), имеющей лесопарковые массивы рекреационного назначения.

2. Разработана математическая модель в двумерной формулировке, основанная на последовательном решении взаимосвязанных задач: движение газового облака по выделенной области и рассеивание газовым потоком частиц примеси. Решены уравнения несжимаемости газов, Навье-Стокса и диффузии с заданными граничными и начальными условиями, показана эффективность метода расщепления для решения задач этого класса.

3. Теоретическими и натурными исследованими подтверждена гипотеза о физических особенностях массопереноса аэрогенных примесей воздушной средой в лесных массивах, формирующих вторичное загрязнение атмосферы при возвратном движении воздушных масс; при этом физическими параметрами , динамически определяющими концентрацию примеси являются: вектор скорости движения воздуха, атмосферное давление, коэффициент диффузии и вязкости, концентрация примеси, плотность газа, время, фоновая концентрация на границе области обмена, вектор силы и коэффициент сопротивления движению воздуха внутри лесного участка.

4. Разработанные математические модели, алгоритмы и компьютерные программы позволяют рассчитать динамическую ситуацию транспортно-распределительного механизма поведения аэрогенных примесей при прохождении лесного массива и могут являться основой расчетного прогноза, в том числе для задач мониторинга атмосферного воздуха, при этом важным фактором является преобладание процессов накопления загрязнений над их вымыванием за счет разницы скоростей движения фронта атмосферного воздуха внутри и вне лесного массива.

5. Результаты верификации математических моделей показали их высокую адекватность данным натурного эксперимента и позволили выявить закономерности аккумуляции атмосферных примесей , определяющих достаточно длительный период выноса загрязнений при возвратном движении воздушных потоков. Последнее обстоятельство свидетельствует о том, что лесной массив может быть не только по-

глощающей средой, но и препятствием активному рассеиванию загрязнений в атмосфере.

6. Физико-химические и динамические параметры аккумуляции и вторичного выноса атмосферных примесей воздушной средой лесных массивов должны учитываться при принятии управленческих решений как количественные критерии при расчете фоновых концентраций поллютантов, определении размеров и границ санитарно-защитных зон промышленных предприятий , а также расчетах величин предельно допустимых выбросов газовоздушных смесей в атмосферу.

7. Для оптимизации архитектурно-планировочных решений , экологической экспертизы, технических градостроительных проектов лесные и лесопарковые массивы, входящие в зоны городских территорий высокого аэрогенного загрязнения со сниженной или исчерпанной способностью самоочищения, должны рассматриваться как объекты обязательного учета и мониторирования по комплексу лесопатологи-ческих, транспортно-распределительных и аэродинамических критериев.

8. По результатам выполненной работы даны рекомендации для практической деятельности по устройству городских и пригородных лесов, в том числе по размещению квартальных просек по оси загрязнения, шагу сетки, полноте ярусов и формированию специальных коридоров для интенсификации рассеивания загрязнений в лесных массивах.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Основные направления охраны окружающей среды и рационального природопользования в Пермской области на 1991-1995 гг. и перспективу до 2005 г. \\ Одобрены решением исполкома Пермского областного Совета народных депутатов от 21.01.91 № 5 Пермь, 1990 , 114 стр..( в соавторстве)

2. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов в Пермской области \\ Аналитический обзор\\ Областное управление статистики и областной комитет по охране природы , Пермь, 1991, 139 стр., (в соавторстве).

3. Environmental Aspects Of Indistrial Developed Districts : The Western Urals Case. \\ Сб. докл. международной конференции "Conversion and the Environment" PRIO REPORT N 2 , Oslo, 1992 <-C.283-289.

4.Состояние и охрана окружающей среды Пермской области за 1993 г. ^Аналитический обзор \\. Пермский областной комитет по охране природы, Пермь, 1994 , 87 стр. (в соавторстве).

5. Информационная база данных по природоохранным технологиям в системе непрерывной экологической подготовки специалистов. \\ Тезисы докладов XXYIII научно-технической конференции "Химия и химическая технология "\\. Пермь, 1995. -С 20 (в соавторстве с Соломоновым А.Б. и др.)

6. Состояние и охрана окружающей среды Пермской области за

1993 г. Изд. Пермского комитета по охране природы , Пермь, 1994 г. , 87 сгр.

7. Состояние и охрана окружающей среды Пермской области за

1994 г. \\ Аналитический обзор \\ . Пермский областной комитет по охране природы , Пермь, 1995 г., 71 стр. ( в соавторстве).

8. Обоснование средств аналитического контроля для создания системы интегральных показателей оценки состава газовых промышленных выбросов. \\Материалы XXYIII научно-технической конференции "Химия и химическая технология"\\ Пермь, 1995, С-.8 ( в соавторстве с Холостовым С.Б. и др.).

9. О создании системы экологического мониторинга на территории Пермской области : проблемы и решения . \\Материалы конференции "Проблемы экологического мониторинга"\\. Министерство охраны окружающей среды, природопользования и ЧС Башкортостан , Уфа, 1995 , - С. 19-20 (в соавторстве с Федоровской А.Х.).

10. Оценка состояния окружающей среды Пермской области по материалам аэрокосмических съемок \\Материалы 2-й международной научно-практической конференции " Информация подготовки и профессиональной деятельности операторов аэрокосмических систем\\. Центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина. Звездный городок, Московская область., 1995,-С 72-74 ( в соавторстве с Г