Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Мезомасштабные модели переноса соединений серы и азота и их использование для оценки эффективности атмосфероохранных мероприятий

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

Автореферат диссертации по теме "Мезомасштабные модели переноса соединений серы и азота и их использование для оценки эффективности атмосфероохранных мероприятий"

ИНСТИТУТ ГЛОБАЛЬНОГО КЛИМАТА И ЭКОЛОГИЯ РОССИЙСКОГО КОМИТЕТА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

МУХАПЕЩШОВА ДИНА ФАГИРОВНА

УДК 502.55(203)

МЕЗОИАСШТАБНЫЕ МОДЕЛИ ПЕРЕНОСА СОЕДИНЕНИЯ СЕРЫ П АЗОТА И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛТМОСФЕРООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЯ

Специальность: 11.СО.11-охрзна окоуиаюией спелы V, рациональное использование присюдных оесурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1992

О/

/

Л

Работа выполнена в Институте глобального климата и экологии Роскомгидромета и РАН

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор АНТОНОВСКИЙ ГС.Я.

доктос технических наук . ЛИТВИН В.А.

доктор физико-математических наук ГАЛЬПЕРИН N.B.

кандидат технических наук КОНПХОВ 8.Г.

Ведуеая организация:

Глазная renfизичесгая обсерватория им.А.И.Воейкова Зэаита состоится " £,£> а-гъ-АЛсЛ*? 1992г.

в /ty часов на заседании Специализированного Совета К.003.36.01 г,о специальности 11.00.11 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" в Институте глобального климзта и экологии по адресу: 107253, Москва, Глебовская улица, а.20-6.

С диссеотацией нотис ознакомиться в библиотеке Института глобального климата и экологии по адресу: 107253, Москва, Глебовская улица, п.20-6.

Ваш отзыя, зазеренний печатью, просим направлять по atpecy: 10725Й, Москва, Глебовская улица, д.20-6, Спецсовет ИГКЗ.

Автореферат разослан " "_сЛ /тггЬ 1992г.

/

Официальные оппоненты:

\

Ученый секретарь Специализированного

совета, кандидат геслого-минералоги-

ческих наук

7? /7 Т.Г.Орлова

- ' ; 2 |

.у,. [АКТУАЛЬНОСТЬ. Окислы серы и азота выбрасывается в атмосферу з ^|болы20гл количестве всеми видам;! производства, связанного со сжиганием топлкз я переработкой руд. Повышенные концентрации этих примесей в воздухе отрицательно влияют на наземную растительность, здоровье человека, различные материалы и конструкции. Б Еоздухе окислы серы и азота трансформируются в серную и азотную кислоты и их соли. При переносе в атмосфере они осаздаются на подстила-гащую поверхность на расстояниях сотен и тнсяч километров от источников ЕЫбросов, отрицательно влияя на наземные и водные экосистемы.

Для ограничения этих отрицательных воздействий требуется сокращать выбросы окислов серы и азота в атмосферу. В условиях ограниченности экономических ресурсов, выделяемых на воздухоохран-ные цели, необходимо выбирать наиболее эффективные, атаосфероохранные мероприятия. Принятие решений о Екборе тех или иных всз-духоохрашшх мер происходит на некотором адмннистратизно-террпто-риальном уровне. Такой административно-территориальной единицей монет быть, в частности, мезомасстабккй регион (регион размере:.: до 300-4С0.километров, например, область, республика, территориально-промышленный комплекс и т.д.). Для построения эффективных воздухоохрашшх стратегий в таких регионах требуется специальная система математических эколого-экономических моделей (в дальнейшем, эколого-экономическая система), важным блоком которой являются модели переноса загрязняющих веществ в атмосфере. Обусловлено это следующим.

Оценка эффективности атмосфероохранннх мероприятий предпола-' гает расчет количественных показателей, характеризующих степень загрязнения атмосферы. Такими показателями могут быть: экономический ущерб от загрязнения атмосферы, концентрации в воздухе л осадках; атмосферные выпадения на подстилагацую поверхность; ат-

мосферный еынос за пределы региона; поступление 'атмосферных загрязнений з другие природные среды; показатели типа "доза-реакця

Для расчета показателе" загрязнения атмосферы соединениями серы и азота требуются определенные ыезомасштабные модели переноса этих соединений в атмосфере. Они нулны такие для подключения в эколого-экономическую систему экологических-показателей "доза-реакция", где в качестве дозы рассматриваются концентрация в воздухе или атмосферные выпадения. Кроме того, модели переносе' соединений серы и азота требуются дая расчета поступления атмосферных выпадений в другие природные среды, в частности, в водоемы.

Для включения в эколого-эконоыическую систему модели переноса деллаш удовлетворять ряду требований: обладать необходим™ для зкслогс-эксксмяческой оптимизации быстродействием, давать результаты е среднегодовом осреднении, яеляться климатологическими (осреднение метеоусловий в них за достаточно длительный срок - 10 лет и более) к др.

Разработке таких моделей, кх реализации в эколого-экономи-ческих системах и посвящено настолцее диссертационное исследова ни е.

НЕД Т'С^ТЕЛСЗАНУЛ: разработка атмосферных ыезомасштабных моделей переноса соединений серы и азота к их использование в экслсго-экономпческих системах для оценки эффективности воздухе охранных мероприятий.

. УАТЧлт1Я НОЗГ.'ЭНА; предложены три атмосферные мезомасштабш модели переноса соединений серы и азота, удовлетворяющие ряду требований использования их в эколого-экономической системе: си обладает необходим.: (для экодого-энономическсй оптимизации) б! стродейотвпем, являются климатологическими, предназначены для

оценки среднегодового загрязнения от каждого источни-

ка выбросов в регионе.

На основе сопоставления разрзботакккх моделей различных типов (лаграккез я эйлеров подход) перекоса соединений серы сделан вывод о возможности использования внсокоагрегирозанной модели лаграшхова типа в окодого-экономической системе.

Впервые для Эстония: а) получена комплексная (с использованием набора показателей) оценка загрязнения атмосферы; б) на основе расчетоз поступления соединении серы п азота з водоемы от различных источников (сток с сельскохозяйственных и лесных угодий, сточные води и др.) сделан вывод о значимости атмосфэрной составляющей загрязнения водоемов; в) построены эфгекглнккз воз-духоохраннне стратегии на основе различных критериев.

На защиту выносятся следующие положения:

- мезомасатабнач климатологическая модель лаграк^ева типа для расчета среднегодовых концентраций б воздухе, сухих и злачных выпадений, вшоса за границы региона з различных направлениях сернистого газа и сульсТдтов. Модель - высокоагрегирозакная, но обладает необходзмш быстродействием. В автоматизированной эко-лого-окономической системе она используется для построения эффективных воздухоохранных стратегий;

- мезома штабная климатологическая модель эйлерова типа для расчета среднегодовых концентраций в воздухе, сухих и влазннх выпадений сернистого газа и сульсатов. Модель - менее агрегированная, нб требует существенно больпих затрат малинного времени. В автоматизированной эколого-экономкческой системе она используется для расчета уровня загрязнения атмосферы; .

- результаты сопоставительного анализа моделей переноса соединений сэры. Вывод о возмогкяоетд использования а околого-зкояо-мической системе высокоагрегирозанкой модели лагракаава типа;

- мезомасптабная климатологическая модель лагранжева тип; для расчета концентраций в воздухе, сухих и влашых выпадений выноса в различных направлениях окислов азота, азотной кислот нитратов. 3 эколого—экономйчэскок системе.модель используется для расчета уровня загрязнения атмосферы и построения эффекти: ных воздухоохранкых стратегий;

- результаты расчета загрязнения атмосферы Эстонии сое; нениями серы и азота с использованием показателей: экономичеа го ущерба от загрязнения атмосферы, атмосферных выпадений на ] стплавцую поверхность, атмосферного выноса за границы республ! в различных направлениях, индекса угрозы хвойным лесам;

- результаты расчета поступления в водоемы Эстония соедщ ний серн и азота от различных источников (поверхностный сток < сельскохозяйственных я лесных угодий, болот, урбанизированной территории, грунтовый сток, сточные воды). Вывод о значимости атмосферной составляющей загрязнения водоемов республики;

- результаты расчета эффективности воздухоохраннышеропр: ятий в Эстонии.

ПРАКТИЧЕСКАЯ: ЗНАЧИМОСТЬ И РИАЛИЗАЩД: Выявлены основные I точнпки загрязнения атмосферы н водоемов Эстонии соединениями ры и азота. Определены наборы эффективных воздухоохранннх мерс ятпй для различных лимитов капиталовложений в республике. На с нове расчзтоз выработаны практические рекомендации по оздорош. нию воздушного бассейна Эстонии. Модели реализованы в иногокр* териальной автоматизированной региональной система (МАРС). Рас ботанные модели переноса могут быть использованы для принятия ¡некий в области снижения загрязнения атмосферы в других региог мезомаентабного уровня.

Результаты разработки эффективных зоздухоохраннш страте! и банк эффективных воздухоохранннх мероприятий внедрены в Эстс ском УГлС и :.1:шлесхозе 300?.

Апробация работы. Основные материалы к ре-

с)

зультатм диссертации докладывались на: Всесоюзном совещания "Нормирование выбросов в атмосферу" (г.Ташкент, 1935), пжоле-семина-ре по теме 6 проблемы ХП ГСМОС СЭВ (1937), XXIX Всесоюзном гидрохимическом совещании (г.Ростоз-на-Дону, 1937), П конференции молодых ученых Госкомгидромета и АН СССР (г.Москва, 1937).

Работа выполнялась в рамках тем УП.47.01 и У.27.04 НИР и ОКР Госкомгидромета.

Публикации: основное содержание диссертации опубликовано з8 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глаз, выводов, библиографии и приложения ; содержит 1Н1 машинописных страниц основного текста, 24 таблицы, 15 рисунков и список литературы, включающий 108 наименований.

С0Д2Н2АЛИЗ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель исследования, показана научная новизна и практическая значимость исследования.

В главе I сформулированы основные пелояекия и пути решения задачи построения эффективных атмосфероохранных стратегий в регионе. В качестве критерия эффективности атмосфероохранного мероприятия рассматривается величина Ет £т - £т -Ет , где

с ' с

и с^г, - уровни воздействия атмосферных выбросо з в регионе до и

после осуществления /тг-го мероприятия, капитальные затраты

на т-е мероприятие.

у г,

В качестве рассматривались следующие показатели:

масса выбросов загрязняющих вещестЕ ; экономический ущерб от эаг-рязенния атмосферы ; атмосферные выпадения, концентрации з воздухе, потоки за пределы региона соединений серы и азота; показатели

типа "доза-реакция". Дан краткий анализ кавдого показателя с ки зрения возможности его использования в эколого-экономичес* системе.

Показана роль эколого-экономических моделей в задаче пос енил эффективных воздухоохранных стратегий в регионе. Показа:-необходимость использования в эколого-экономической системе £ сферных моделей переноса соединений серы и азота, удовлетворя щих опрецеленньм требованиям.

В главе 2 приведено: описание разработанных для использс ния в эколого-экономической системе мезомасатабных моделей пе коса в атмосфере соединений серы (модели I и 2) и азота (моде результаты сопоставительного анализа моделей I и 2, результат анализа чувствительности моделей 1-3, метод подготовки исходи информации для модельных эколого-экономических расчетов.

Для реализации в эколого-экономической системе критериев фективности, основанных на расчете концентраций в воздухе и с как, атмосферных выпадений выкоса за границы региона соединен серы к азота, необходимы модели, удовлетворяющие следующим тр ваниям: а) модель - мезомаслтабная (оценивается перенос загря зяцих веществ в атмосфере на расстояния 100-300 километров) ; б дель должна давать результата в среднегодовом осреднении, т.к временное разрешение технико-экономических характеристик атмо роохранных мероприятий I год ; в) модель - климатологическая ( сматриваэтсл метеоусловия, осредненные за длительный срок - I лег и более), т.к. эффективность атмосфероохранных мероприятя оценивается на перспективу и реальные метеоусловия на тот пер неизвестны ; г) очень кесткне ограничения на время расчета на т.к. при эколого-экономической оптимизации модель используете итерационном реяимэ ; д) уровень загрязнения атмосферы рассчит ется для каждого источника выбросов в регионе, т.к. мероприят

связаны с конкретным/, источниками выбросов в регионе.

Обзор литературы показал отсутствие модельных разработок, удовлетворяющих одновременно всем перечисленным требованиям. Поэтому были разработаны соответствуете модели переноса соединений серы (модели I и 2) и азота (модель 3).

Необходимость в дзух различных типах моделей (I и 2) связана с тем, что модель I является высокоагрегированноЯ, но требует существенно меньших затрат малинного времени, что делает ее особенно эффективной в оптимизационном блоке. Сравнительный анализ расчетов по двум моделям позволил оценить погрешности, связанные с рядом упрощений в модели I, и возможность включения модели I з эколого-экономические расчеты.

Модели 1-3 имеют ряд общих особенностей.

Регион представляется в виде регулярной сетки с размером растра, 10 км х 10 км.

Для региона вводится роза ветров, представляющая вероятности ветра различных направлений р,т и средняя скорость переноса веществ в атмосфере 7г .

ВеличиныДт, ,V , горизонтальный и вертикальный коэффициенты диффузии и рассчитываются как средние в слое перемеливанич высотой Н. При этом предполагается, что скорость ветра изменяется с высотой 2 по степенному закону ; вертикальный коэффициент диффузии линейно возрастает с г в приземном слое /Цо , а выше остается постоянным ; горизонтальный коэффициент диффузии изменяется с г

4 - 6 ¿ц* - -т^&ГШ

о

V ~ ¿о

где - скорость ветра у земли на высоте г0 ; Р - параметр с

тификации атмосферы; HQ - вертикальный коэффициент диффузии у

земли; ¿Jo- вертикальная составляющая скорости вращения земли

Законы изменения метеоэлементов с высотой (I) достаточно

близко описывают нейтральные условия стратификации атмосферы,

ответствувщие случаю, когда метеоэлементы обедняются за длит

ный срок над равнинной территорией.

Бремена жизни в атмосфере относительно сухого С ) к вл

ного Ci'ui.) выведения рассчитываются как:

flj / . _

ie^äL = ЖЦ^Гф* ¿=1,6 (2)

где 1скорости сухого осаждения: коэффициенты вымыван

осадками ; I/ - уровень осадков в регионе ; - продолжительна периода с осадками в течение года. Индексы с = 1-6 относятся SDx., SO*~, а/О , лУО^ , ШО^таз), л^ (аэр.) соответственна Величины 1Го , К, Р, Кц, Кг, Tic ,V , а также рости химтрансфэрмации соединений серы и азота вводятся как с негодовые и постоянны на территории региона. Рельеф местности не учитывается.

Мощность выбросов окислов серы и азота источниками в тег года не меняется.

Особенности модели I. В модели рассматривается 48 стацис ных прямолинейных траекторий (направлений ветра). Каждая осуи вляется с вероятностью Дт., ^ = 1,48. Струя представляет собс последовательность порций, выбрасываемых источником в дискрез моменты времени t =4.7* (Т - временный шаг) и движущихся bj траекторий ьетра. На каждом k. -ом шаге определяются: полонею центра порции, ее горизонтальная диффузия, сухие и злавдые m

Л — 2"

дения sOju и so; из порции, химтрансформаЧня^в $Оч . При t • порция равномерно распределена по растру. Пространственное рг тление модели - размер растра. При каждом п -ом направлении в;

рассчитываются поля концентраций и выпадений. Затем результаты ос-редняются по всем направлениям для получения годовых оценок.

Особенности модепи 2, Модель представляет реализацию аналитического решения системы уравнений атмосферной диффузии, описывающих перенос зо^. ¿о;'-.

~ Ж, о _ +с0}

- '¿у*- * *г згг,^ ■ со

Л & + £ ^..Си + (3)

с граничными условиями для ¿¿¡х и /7= С, Г о, у, 2V

£/Сос,с/,°о) --о = 0 (4)

где С, и С*, концентрации и ; - интенсивность выбросов дельта-функция ; ^ - эффективная высота выбросов ;

Аналитическое радение уравнений (3), (4) имеет вид: ЪСх^.гуЛ* ^ ^ *е ^у/с/ - (5)

£г/СГ /Есг+Яэ-) *

^//с ^ + е ^ /е -с < '«рут (б1)

, ¿^срх-ил+Дг. ______ . ,_,-,7

Влажные выпадения рассчитываются:

-^¿е -е -е Гсг/с-с/щ-а *

где а!о- ¿£- ег/4 -<££. *

ег/с С^Лй. *«-ОЦсЩ, (8)

Параметры в (5)-(8) являются функциями М , /Уэ , 7ЦС , &

. 4»^ . ^ ./=1-2

Выражение (5), (6) для концентраций получены ¿ее , 1986 Выражение (7), (8) для влажных выпадений подучены автором инт рованием (5), (6):

оо ,

1л/,' /27^ ¿=1,2

Интеграл^ (¡? =0) в интервале интегрирования [0г0.95/>хЦ брался численно в интервале[0,95^ ,рх] - аналитически. Интг брался численно.

Согласно (5)-(8) концентрации и выпадения резко, как /ли**

ахр(~ ¿Г) убывают в направлении, перпендикулярном оси фа!

В зтсм случае обычный метод осреднения уровней загрязнения аг

сферы по всем направлениям ветра оказывается неприемлемым, т

роза ветров должна быть чрезвычайно ?лелкой. Поэтому переход 1

среднегодовым оценкам уровня загрязнения атмосферы осуществл:

нами следующим образом: для каждого центра растра в зависимо!

расстояния V. от него до источника определялся раствор струи

внутри которого направление ветра оказывают значимое влияние

загрязнение в центре растра. Это влияние определено интегрир!

нием =1,2 по сечению струи .

Особенности модели 3. Модель 3 в части, описывающей диф

зил и адвекцию загрязняющих веществ, не отличается от модели

Изменяется ее химический блок, в котором оценивается трансфо

ция выбрасываемых в атмосферу /УО^ в цепочке а/Мл/О^-*л

(соли азотной кислоты). В модели рассчитываются срецнегодовы

концентрации в воздухе, сухие, влажные зыпацения а/О , /Ул/г^ г газ), С о>р) .

3 модели 3 учитывается сгедуодне процессы химтрансформапии и выпадения азота кз атмосферы. Принято, что доля r/Ot, в выбросах л/йх.( составляет Ъ% для котлов энергоблоков и 25i цлч газовых турбин. Обзор литературм показал, что результирующая скорость трансформации а/£> п а/О^. ( Г/ ) определяется не только скоростью прямых и обратных химических реакций л/О~л/0л, (контролируемой, в основном, концентрацией^ )> но и в большей степени • условиями стабильности атмосферы. При оценке Г/ полагалось, что ' условия стратификации атмосферы близки к нейтральны.!, а концентр" рация 03 = 30-50 ррв.

sSOi, выводится из атмосферы в реакциях с ^^з с образованием ПАН ( ) к реакциями окисления до /АУОл с ОМ ( ) и М>.0 (2V }. Образующаяся нейтрализуется до солей азотной кислоты ( ). Принято, что соответствие мевду образовавшейся газообразной и аэрозольной в результате окисления л/Ох. составляет 1:1.

а/О , , л^(аэр) выводятся из атмосферы с сухими

(¿}с -Zrc) и влажными (2^-2^) выпадениями: Величины и t3 рассчитывается:

где ^ и ^ - концентрации радикалов ^¿"¿Pj и Р<4 ; н ^ - константы соответствующих химических реакций.

Исходные метеопараметры /У , Р , 7/ъ , , Z/" , опре.-делллись из обработки данных ст.Таллинн (период осреднения 195Э- . 1963 гг) и равны: Н * 6S0 м, />=0,09, 2G =5,1 м/с,¿¿=0,12 м?/с,

=687 мм/год, ^=0,1. Численные значения параметров в моделях 1-3 равны: =0,01 м/с, 2b: »0,002 м/с, % =0,0007 м/с, гг«с.а0,005 м/с, =0,015 м/с, =0,003 = =

■3,61/мм, 4^= О, /^10,8 I/мм, 2> =0,5 час, й. «40 час, 2^=15 час., 2Гу =20 час, ^ =40 час, =20 час.

Исследовалась чувствительность моделей I и 2 к параметра Ъ~,е ,2Ос , Zo , , , If , H , fi . Б отношении суммарных i падений серы, являющихся основой для эколого-экономической or мизации, обе модели наиболее чувствительны к Ъ~/с. Они таюке с льно чувствительны к &fuc и , а модель I и к И ; среднечуЕ вительны к ,V , , а модель 2 и к /У . Обе модели практ чески нечувствительны к ÎTic. .

Чувствительность модели 3 исследовалась к параметрам: Vt-Zs , 25с -Tree . H , fi , U , 2 отноаен

суммарных выпадений нитратов модель наиболее чувствительна к tt , Р . Она так'ке сильно чувствительна к Ле«*. , У и средне чувствительна к Т^ , , £*у , , Дг.«. > ЕМ » • Модель с.л чувствительна к , 25г , , ¿6с .

В высокоагрегированной модели I предполагается мгновенно равномерное разменивание вещества по вертикали в слое перемет в&чия, что приводит к отсутствию зависимости уровня загрязнен от /6 и к линейности процесса сухого осаждения с использован ем параметров и Gc . В модели же 2 используется более то ное физическое описание рассеивания и сухого осаждения -рия атмосферной диффузии. Сравнительный анализ расчетов, пров денный при различных значениях в модели 2 и двух методах оценки TfC и 2ic в модели I показал, что наблюдается хорошее ласие мезду моделями I и 2 при оценке Г/с и ÎJc по методу, оп деляемому формулой (2) и при значении =200-250 м. Был сдел вывод о возможности включения модели I в эколого-экономически расчеты.

Для кахдого из 7 типов показателей воздействия атмосферн выбросов, реализованных в эколого-экономической системе, опис способ подготовки исходной информации, а именно оценки метеоэ ыэнтов л параметров моделей 1-3 ; параметров источников Екброс метод их агрегирования ; технико-экономические характеристики

мосфероохранных мероприятий в различных отраслях промышленности.

В главе 3 описаны результаты модельных эколого-эконодачес-клх расчетов для Эстонии.

Рассматривалось 293 агрегированных стационарных источников Еыбросов. Расчеты загрязнения атмосферы включили: построение кар: распределения по территории республики, экономического ущерба от загрязнения атмосферы, среднегодовых концентраций в воздухе, сухих, влажных выпадений , ¿01, > а/О , л/Ох. > Нл/О^. газ), /^Оз (аэр.), индекса угрозы хвойным лесам, а также расчет выноса серь; тл азота за пределы республики по 8 (45-ти градусных) секторам.

Сравнение модельных расчетов влатаых Еыпадений сульфатов и нитратов с данными наблюдений в Эстонии (осреднение за 1920-26гг.

показал их хорошее согласие - таблица I. Разница, с учетом вкла-

2 ^

да внешних источников (1,2 г ^ /км и 0,16 т л//км*") , составляет для станций Эстонии: 1^2-25^, 1^-33$, 13^-41% для моделей I,

2 и 3 соответственно. Ь.аад от вчезних источников (внешних антропогенных + естественных) оценивался по данным наблюдений от.Сыр-ве, не подверженной влиянию местных источников(расчеты по моделям 1-3 показали, что вклад местных: источников в загрязнение по ст. Сырее составляет всего I-2%).

Из табл.1 видно, что расчеты влажных выпадений нитратов ниже измерений. Разница уменьшается с удалением станции от городов и объясняется, вигцаго, неучетом в модели 3 эмиссии окислов азота от автотранспорта.

В таблице 2 показан вклад стационарных источников Эстонии в суммарные (местные + внеиние источники) выпадения серы л азота на территорию республики. Выпадения серы еклпчили сухие + вла-етые «5Л. , у азота - сухие + злачные л/О , л/Ох, , /А/^(газ), В промышленной северо-восточной части Эстонии зклад местных источников составляет: 56Й-91& (модель I), 65^-89$ (модель 2),

Таблица I. Модельные расчеты и данные наблюдений за загрязнение! атмосферы соединениями серы и азота в Эстонии

Станция данные наблюдений источники остонии + внешние источники наблюдений и ми расчет;

сэоа азот мод.1 моц.2_ мод.З мод. I мод. 2 мод. 3

т^/км"2 год год тЗ/км^ год т-У/км^ тл^/км^ год год у /0 % %

Кохтла-Ярве 3,06 0,30 2,30 3,20 0,22 25 5 27

Таллинн 2,12 0,33 1,87 2,30 ^0,20 12 9 41

Тийри-коя 1,77 0,18 1,43 1,75 0,18 19 I .

Тоома 1,20 0,16 1,34 1,61 0,18 12 33 13

Таблица 2. Вклад стационарных ...уточников эмиссии Эстонии в

суммарные выпадения соединений серы и азота на территорию республики

Станция Вхл ад источи; :ков Эстонии в суммарные выпадения, %

сера азот

модель I модель 2 модель 3

Нарва 91 89 49

Кохтла-

Ярве 67 77 30

Таллинн 56 65 21

Тийрикоя 29 41 14

Тоома 21 34 14

в целой по

региону 32 42 20'

23$-49$ (модель 3), а в целом по Эстонии он раззн -32%, 42;з и 20$ для моделей 1,2 и 3 соответственно - таблица 2.

Суммарные выпадения серы яа территории республики составляют 80Нт5/год (под.1), 92 Кт ^5/год (мод.2). Из них, местные антропогенные источники - 26 Кг5/год (мод.1), 39 XI3/год (иод.2), внесшие антропогенные - 46 Кт 3/год, естественные -8 Кт /год - таблица 3.

Таблица 3. Суммарные выпадения соединений серы и азота в целой по Эстонии.

Эмиссия от источников Эстонии,Кх/год

Еыглдения в Эстонии, Кг/год

Источники £стонИИ

I. е..

ПГЯННКЗ +

3 : 94

У : 8.8

26 (модЛ) 39 (мод.2)

2.2 (мод.З)

54, з т.ч. естэств. - 5 гнела.

гнтр. -45

Естественная составляющая (морские сульфаты) рассчитывалась по данным о концентрациях СЕ з осадках з ¿¡стони::. Оценка внешних антропогенных источников (46 КтЗ/год), полученная из данных наблюдении ст. Сырве, близка ¡с расчетам по модели трансграничного переноса ВЕЦ (35 КТ.5/гсд. Оценки зыпадениГ: серы пэ моделям I и

2 хорошо согласуются с расчетами злачных выпадений, полученными по данным снегсш^якх езенон на 17 станциях 3столки (76 К?¿/год). Суммарные выпадения азота на территории республики составляв? 10.8 Кта^год, з т.ч. местные антропогенные - 2.2 К?л//гсд, внешние антропогенные + естественные - 8.о Ктл^год - таблица 3. Выделить естеетестзенную составляющую для .азота в настоящее время не. представляется возполным.

В табл. 4 :: 5 пск'-.зцна структура ьиладеилЧ сседапенкК серы к азота от местлых источников, рассчитанная по моделям 1-3.

Ks тис. I локазанз структура заноса серы к азота за пределы 3стони:: в 8 направлениях. Сна рассчитана .по ыоделям I и 3. Таблица 4. Структура выпадений соединений серы от источников Ьстонал, в цело;.: по республике, в % к эмиссии

йодгль I

Модель 2 55.9

41.1 13.0 0.3

27.8

Количество серы, пскэдазцей Зстсяню 72.7

Суммарные выпадения серн на территории,

Эстонии, в т.ч.: . 27.3

сухие сернистого газа 14.7

сухие сулъратов ' 0.1

2льг.аые сернистого газа +

суль;атсз " 12.5

¿25-:аце 5. Структура выпадений соединений азота от источников Эстонии, з целом по республике, г % к эмиссии

Модель 3

Образовавшееся ПА?! 4.7 (газ) 2.0

Количество азота, по- И^Ол (аэр) 0.5

кпдагдего Зстонию 70.3 Пл/Оь (аэр) уонее

Суммарные зыпадекня 0.1

езота на территория Зс- ^ злезные fJO*. 15.S

тении, в т.ч. : 2э.О А/л//?, , „ г,

пииг (Газ) о.7

сухие NO 0.1 и ,

ПЫОу (аэр) 0.1

Ряс. I. Структура зыяоса создлнений .серы и азсга за пределы остокяи, в /з к cy^apaoitf выносу.

Соединения S Соединения л/ :

5.5

4.4 4.8

9.8

II. з е. ?.4

ч

22.7 25.9

15.£

6.8 6.2 9.5

12.7 20.1 22.7 14.6

Для Зстоник Сил рассчитан баланс загрязнения водоемов генеральными соединениями серы и азота ( ¿0* , /У///, , • Q>s - таол. б, Расчет'проводился, используя данные:

' /в /

ЦСУ СССР о сбросах з водоемы республики сточных вод ( Q, ); литературные данные об удельное выносе серы а азота с территории различных ландшафтных элементов и площади зтих элементов на территории Эстонии ); о виде и количестве вносимых удобрений на с/х угодья 3стойки ( ); гидрохимических йаСлзденпй з замыкающих створах республики ( , Qp ). Величины 'Qs г. 0>р рассчитывались расчленен: ; гидрографов.

Таблица 6. Поступление соединений серы ь азота в зодозиы 3стоник от различных источников

Источник поступления

V

в?к

поступлез Кт3/год.;пос?ук; '^л//год

Сточные зодь:

Повзэхносткый сток с территории:

урбанизированной

лесов, болот

с/х угодий

Грунтовый стен

Суммарное поступление

Вынос с речным стоком Атмосферная составля.таая

6.7

<0,

21.5 10.9

5S.8

ICO. О

Qfi 123.5 Qo. 2S.3

4.7

24.5

12.5

64.7

114.0

140.8 с2 • с

II.9

0.9 II.2 64.8

11.2 100.0

62.5

22.3

4.9

0.4

4.5

26.4

4.6 40.8

25.5 9.1

:.:з.;сду пост.'плзнпе:.: и выкосом сульфатов с территория озтских составляет 237, что позволяет считать оценки отдельных состаэлй:д;-с баланса достаточно точными. Для азота, как и окидалось, поступление существенно превышает вынос, что связано с активны?.: включением азота (до 38%) в биоциклы з водоемах республики, вызывая их автрофнрозаниэ.

Отдельно была рассчитана атмосферная составляющая загряз -нения воцсзыоз Эстонии Она, рассчитывалась на основе данных о коэффициентах стока по водосбросам республики и атмосферных выпадениях соединен;:!: серы и азота на территории Эстонии.

Атмосферные зилздеаия вносят значимый вклад в загрязнение водоемов Эстонии - 28$ я 22% для соединений серы и азота соответственно. Крупне.?ыий источник поступления сульфатов в водоемы -грунтсьы? стен (57/:)» чю связано о естественно!; высоко? минерализацией гтунтевкх вод ъ район - залегания сланцев; азота-сто:-: с сельскахозявственных угодий (6570 ~ табл. б.

Учитывая,что сульфаты яелыстся достаточно консервативной пспдесьа, сценка выноса сульфатов с речнын стокоы и отдельная его генетических соотазлязгис согласуется с расчетами по моделям I и 2 атмосферных выпадений соединений серы, иля соединений азота подобной сравнение невозможно осуществить, т.к. они являются очень активным биогенои.

Выявленная структура баланса загрязнения водоемов Эстонии соединениями серы к азота позволила выявить приоритеты среди источников загрязнений.

С использование:.: моделей переноса соединений серы и азота для с с: онии рассчитана эффективность 138 воздухоохранных мероприятий. В качестве примера на рис. 2 показаны эффективные стратегии снижения выпадений соединений серы, выноса соединений серы за пределы республики и индекса угрозы хвойным лесам респуб-

млн. руб.

Рис. 2. Оптимальные стратеги снижения зыладени!, выноса серы и индекса угрозы хвойеш леса!,5 Эстонии ( О - атмосферные выпадения, д - вынос, О - индекс угрозы хвойным лесам)

лики. Лахдак течка на ркс. 2 соответствует конкретному комплексу вездухоохракных мероприятий, который при данном уровне капиталовложений, зыделяеаых з регионе, позволяет достичь максимального э^акта.

В приложениях даны: карты загрязнения атмосферы Эстонии соединениями серы и азота (подели 1-3); список источников выбросов и.технико-экономические характеристики воздухоохранкых мероприятий; карты распределения по территории республики экономического ущерба от загрязнения атмосферы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Кг ВЫВОДЫ

1. Разработаны три мезоиасцтабкке подели переноса в атмосфере соединений серы и азота (модели I и 2 - соединения серы, лакгранзез и эйлеров подходы соответственно, модель 3 - соединения езстз, лагранжев подход).

2. Проведено сопоставление моделей I и 2 для оценки точности, связанно? с рядом упрощений б модели I. Сопоставление позволило сделать вывод о возможности включения высокоагрегкрованной, но эффективной з оптимизационном блоке, модели I в эколого-эко-нонпческуа сксгзыу.

3. Модели 1,2,3 реализованы в автоматизированной эколого-эконокической системе для расчета среднегодовых концентраций в воздухе, сухих, влажных выладений сульфатов, нитратов, окислов серы и аз ста, а такзе оценки эффективности воздухоохраннах ке-

_ роприяти?. Модели I и 3, обладая необходимым быстродействием, кепельзуэтея также в оптимизационных расчетах при построении эффективных воздухоохранкых стратегий.

Модели 1-3 апробированы на примере Эстонии. Разница из^ду наСл:сден7?.ми и расчетами выпадений составляет 12-25%, 2-33^5, 13-41;о для моделей 1,2,3 соответственно. В целом по Зс-

тонки уклад в суммарные выпадения сернистого газа и сульфатов по модели I составляет: местные антропогенные источники - 323, естественные - ЮЗ, внешние антропогенные источники - 583, по модели 2 - 423, Э% я 433 соответственно; в сухарные выпадения окислов азота и нитратов: местные антропогенные - 203, внешние антропогенные + естественные источники - 803« 703 выбрасываемых местными источниками окислов азота покидает пределы республики. Для окислоз серы вынос составляет 733 и 593 для неделей I и 2 соответственно.

Рассчитан вынос соединений серы и азота за границы республики в различных направлениях. Основной вынос осуществляется з восточном направлении - Ленинградскую и Псковскую области.

5. Проведены расчеты баланса загрязнения годоеиоз Эстонии соединениями серы и азота. Вклад атмосферных зыпадеаий и загрязнение водоемов Эстонии значителен и состазляет не менее 283 " 223 Для соединений серы и азота соответственно. Крупнейший источник поступления серы ^ водоемы республики - грунтовый сток (573), азота - поверхностны.? сток с сельскохозяйственных угодий (65%). Для азота поступление существенно превыпает гынос и объясняется активным включением его в биоциклы з водоемах республики.

6. Для Эстонии с использованием моделей I и 3 рассчитана эффективность зоздухоохракных мероприятий на основе показателей

снижения: массы Еыбросоз окислов азота и серы; экономического;

{

ущерба от загрязнения атмосферы; суммарных выпадений серы на территории республики;' выноса соединений серы за границы республики; индекса угрозы хвойным лесам.

По материалам диссертации опубликованы следуадне работы: I. Антоновский , Литвин Б.А., Мухаазджакоза Д.ф. Модель распределения инвестиций атмосрэроохсанного назначения по источника},: загрязнения в регионе. - В сб.: Проблемы аконогического

¡¿сниторинга и моделирования экосистем.- л.: Гкдронзтеоиздит, т.IX, isto, с. 150-200.

2. Черногаеза Г.!., .Чухаигздааноза Д.Ф. Оценка составляющих цикла азота на территории Эстонии.- В сб.:. мониторинг фонового загрязнения пркродлых сред. - Д.: Гидрометеоиздат, вып. 4, 1937, с.25о-264.

8. Литвин З.А., 4/"ха..;ед~:саноза Д.Ф. Сценка социально-экономической эффективности атпосжзроохранных яероприктяй в регионе. -3 сб.: Зконоцйчеснке Оценки з системе охраны природной среды СССР.- Л.: Гидрометеоиэдат, 1988,'р.339-347.

4. Ц/хз^едкакова Д.ф. йетодичеснке вопросы технжко-зкоиоккческо-гс обоснования предельно-допустимых и времено-согласованных выбросов з атчосгеру. - з сб.: Экономические оценки в системе охрани природной среды у СССР.— Л.: Гидроиетеоиздат, 1988,

с. 332-338.

5. Черногаеза Г...!., ^хамздгзисза Д.ф. Оценка составляющих цикла азота и сульратов на территории Встонии. - Тезисы докладов XXIX Зсзссэзного гидрохимического совещании б г.Ростов-на-Дону (1987).-Л: Гидроаетеокздат, 1988, с.136-138.

6. Д/хаиедзанова Д.Ф. ¿¡езоыасятабная модель переноса и трансформации сернистого газа з атмосфере. - 3 сб.: Мониторинг окружак цей природной среды. Тр. П Конференции молодых ученых лаборатории мониторинга природной среды и климата,- Ы.: Гидроиетео-издат, 1989, с.22-33.

„7. Дитзка S.A., ^ухапеджаноза Д.Ф. Оценка злияния атмосферных выпадений на загрязнение поверхностных вод региона.- В сб.: Пронлеыц фонового мониторинга состояния природной среды.-Л.: Гидрокетеоиздат, гап. 7, 1989 , с.247-262.

6. Че-раогаева I.LL, ^¿а^едгяноза Д.Ф. Баланс сулвдатоЕВ ьоззерс-шоша водах Эстонской ССР.-Б сб. гйэниторинг фонового загрязнения ^родных сред.- I. :Гздроцетео1эдат, Вап.5, 1990»

с. IG 3-192. ^JL

Подписано к печати 30.10.90г. Объем I п.л. Тир.МОэкз. Заказ 555.

Институт прикладной геофизики и леи и академик* Федорова Е.К. 129158 Москва, ул. Ростокина кал д.9

)