Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Влияние комплекса метеорологических условий на диффузию примесей от неорганизованных источников большой мощности

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Влияние комплекса метеорологических условий на диффузию примесей от неорганизованных источников большой мощности"

На правах рукописи

ВЛИЯНИЕ КОМПЛЕКСА МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ДИФФУЗИЮ ПРИМЕСЕЙ ОТ НЕОРГАНИЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Специальность 25.00.30 — Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Пермь 2005

Работа выполнена на кафедре метеорологии и охраны атмосферы Пермского государственного университета

Научный руководитель: кандидат географических наук, доцент

Владимир Александрович Шкляев

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор

Анатолий Павлович Лепихин

Защита состоится 22 декабря 2005 г. в 13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.189.10 при Пермском государственном университете по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, зал заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан 18 ноября 2005 г.

E-mail: askogevnikov@mail.ru

кандидат физико-математических наук, доцент Владимир Николаевич Иванов

Ведущая организация: Кафедра метеорологии, климатологии

и экологии атмосферы Казанского государственного университета

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент

¿53 £ &

0 Ч

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В результате производственной деятельности в атмосферу выбрасывается большое количество газообразных и твердых веществ. Опасность воздействия антропогенных источников на природную среду зависит от массы выброса загрязняющих веществ (мощности источника) и от их класса опасности. Анализ стационарных источников, действующих в промышленности, показывает, что мощность выбросов, составляющая несколько килограммов за секунду, может считаться большой. Количество подобных источников в крупных городах обычно не превышает 5 % от общего количества источников, но на них приходится более 90% всех выбросов. Примерами таких источников могут служить крупные промышленные узлы, полигоны твердых бытовых отходов (ТБО), аварии, связанные со взрывом емкостей с горючими веществами, стендовые испытания и уничтожение ракетных двигателей с твердым топливом (РДТТ).

Для оценки современного состояния окружающей природной среды и тенденций ее изменений необходима регулярна* информация, получаемая на основе мониторинга. При разработке и создании систем мониторинга за воздействием источников большой мощности следует учшъшать величину зон возможного загрязнения, так как при их значительном размере система мониторинга должна охватывать большую территорию, что требует существенных финансовых затрат. В этом случае на первый план выходит разработка моделей и методик оценки загрязнения окружающей среды.

На перенос, рассеивание и вьтадение вредных веществ, выбрасываемых источниками большой мощности, оказывают влияние: различные метеорологические факторы (направление и скорость ветра, атмосферные осадки, условия рассеивания примеси в атмосфере, которые характеризуются температурной стратификацией атмосферы), характеристики самого источника воздействия (высота, площадь, температура выбрасываемых загрязняющих веществ), условия рельефа местности.

Существующие оценки зон воздействия строятся на расчете максимальных концентраций, определяемых в соответствии с ОНД-86, и не учитывают многообразия фактически наблюдаемых погодных условий. Кроме того, данная методика не позволяет оценивать концентрации от мгновенных и высотных источников.

Цель работы заключается в оценке роли комплекса метеорологических условий при исследовании диффузии загрязняющих веществ, а также размеров зоны загрязнения от источников выбросов большой мощности (на примере открытого стенда утилизации РДТТ и полигона ТБО).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• разработка модели распространения загрязняющих веществ от высотных источников большой мощности (на примере облака продуктов сгорания РДТТ), учитывающей многообразие метеорологических условий;

• оценка выпадений и концентраций примесей от облака продуктов сгорания РДТТ на основе разработанной модели при различных метеорологических условиях;

• разработка методики расчета средних концентраций загрязняющих веществ, выбрасываемых наземными источниками большой мощности (на примере полигона ТБО), основанной на использовании климатической информации для данного региона;

• оценка концентраций примесей, поступающих от полигона ТБО, на основе разработанной методики;

• разработка рекомендаций по снижению неблагоприятного воздействия исследуемых источников на окружающую среду и по организации мониторинга за воздействием данных источников.

Информационная база. Работа выполнялась с использованием архива данных: станции Б. Савино (количество облачности, направление и скорость приземного ветра за 1996-2002 гг.), Пермского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (результаты температурно-ветрового зондирования за 1997-2001 гг.). Также в работе использованы данные отчета научно-исследовательского института полимерных материалов (г. Пермь) и Естественнонаучного института при Пермском государственном университете.

Научная новизна:

• разработана траекторная модель регионального переноса облака примесей, образующихся в результате сжигания РДТТ;

• предложена методика расчета средних концентраций примесей от наземного площадного источника, которая основана на совместном учете состояния устойчивости атмосферы и ветрового режима территории;

• проведена оценка влияния комплекса метеоусловий на перенос, рассеивание и осаждение загрязняющих веществ от источников большой мощности, а также оценены зоны возможного загрязнения окружающей среды рассматриваемыми источниками.

Практическая значимость работы определяется возможностью использования ее результатов при разработке системы экологического мониторинга за воздействием рассматриваемых источников на окружающую среду органами контроля качества атмосферного воздуха. Предложенные в работе модели расчета загрязнения окружающей среды можно использовать для исследования воздействия источников подобного типа на компоненты природной среды. Разработанные рекомендации по регулированию выбросов в периоды неблагоприятных метеорологических условий помогут снизить отрицательное воздействие источника на окружающую среду.

С учетом результатов выполненной работы возможна модернизация программы спецкурса «Фоновый мониторинг атмосферного воздуха».

Выполненная работа нашла научно-практическую реализацию в отчетах фантов РФФИ-Урал (02-05-96401) за 2002-2003 гг., Федерального агентства по образованию (А04-2 13-489) за 2004-2005 гт. и научно-технической программы

«Развитие научного потенциала высшей школы» (код проекта 49-184) за 20042005 гг.

Личный вклад автора в диссертационную работу заключается в обосновании актуальности темы диссертации, определении цели и задач исследования, разработке модели переноса примесей от облака продуктов сжигания РДТТ и методики расчета средних концентраций, проведении расчетов и анализе полученных данных, а также в формулировке основных выводов диссертации.

Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на:

1) IX Межвузовской конференции «Экология: Проблемы и пути решения» (г. Пермь, 2001 г.); 2) Международной научной конференции «Перспективы развития естественных наук в высшей школе» (г. Пермь, 2001 г.); 3) Международной научно-практической конференции «География и регион» (г. Пермь, 2002 г.); 4) Научной конференции, посвященной 125-летию основания Томского государственного университета и 70-летию геолого-географического факультета (г. Томск, 2003 г.); 5) региональной научно-практической конференции «Проблемы географии Урала и сопредельных территорий» (г. Челябинск, 2004 г.); 6) 3-й Международной научно-практической конференции «Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов и глобальной энергии» (г. Астрахань, 2004 г.); 7) Всероссийской научной конференции, посвященной 200-летию Казанского университета (г. Казань, 2004 г.); 8) XIII Всероссийской научно-практической конференции «Экология: проблемы и пути решения» (г.Пермь, 2005г.); 9) VIII Всероссийском научном совещании по прикладной географии (г.Иркутск, 2005г.); 10) 1-м Международном форуме (6-й Международной конференции) «Актуальные проблемы современной науки» (г. Самара, 2005 г.).

Результаты исследований, выполненных по теме диссертации, изложены в 13 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения. Основной текст изложен на 112 страницах. Работа содержит 15 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 121 наименования и приложения на 66 страницах.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Разработка модели распространении загрязняющих веществ, образующихся при утилизации РДТТ на открытом стенде, базируется на построении траектории перемещения облака и расчете осаждения из него примесей.

В качестве основы модели рассеивания и выпадения загрязняющих веществ от мгновенного высотного источника в данной работе использовалась траекторная модель лагранжевого типа. Подобные модели достаточно часто

применяются в оперативной практике Метеорологических синтезирующих центров («Восток», «Запад»), например, для расчетов переноса соединений серы, тяжелых металлов и стойких органических загрязнителей, для региона, охваченного сеткой ЕМЕП с шагом 50 или 150 км. Модель предназначена для расчетов переноса примесей от непрерывных источников и в ней используются осредненные коэффициенты диффузии. Для расчетов переноса облака продуктов сгорания РДТТ (мгновенный источник) эта модель была адаптирована к более детальному учету метеорологических условий. Необходимо отмстить, что важной задачей при разработке модели является выбор пространственного шага. Первоначально предполагалось производить вычисления выпадений в узлах сетки с шагом 6,25 км. Однако, как показали предварительные расчеты, такая сетка в начале траектории не позволяет детализировано описать процесс рассеивания облака. При удалении от источника на десятки и сотни километров шаг такой сетки становится, наоборот, слишком мелким и необходимости в большой густоте узлов сетки на расстояниях регионального масштаба нет. Кроме того, при использовании сетки возрастает объем вычислений (приходится производить вычисления по всей сетке). Поэтому в данной работе вычислялись выпадения примесей вдоль траектории. От изначальной модели был использован сам принцип разбивки траектории на отдельные порции (он также был модифицирован), а также вычисление выпадений примесей на основе функций сухого и мокрого выведения (формулы (4) и (5)).

При построении указанных моделей учитываются процессы химических преобразований примесей, выведения их из атмосферы за счет осаждения на подстилающую поверхность, вымывания осадками и т. п. При этом следует помнить, что определение параметров химических превращений, коэффициентов турбулентного рассеяния, сухого и мокрого выпадения, а также скоростей осаждения примесей на подстилающей поверхности является сложной экспериментальной и теоретической проблемой. Весьма сложен также и объективный анализ полей наблюдаемых скоростей ветра, которые используются в моделях для определения прямых и обратных траекторий распространения примесей. Поэтому оценки, полученные с помощью моделей, могут носить лишь ориентировочный характер.

Рассмотрим особенности построения траектории и вычисления выпадений и концентраций примесей, образующихся в результате сжигания РДТТ. Ракетные двигатели в процессе их утилизации представляют собой мгновенные источники большой мощности. Выбросы от таких источников формируют облако, поднимающееся на высоту 1-2 км за сравнительно короткий интервал времени (несколько мин). Измеренные горизонтальные размеры облака после стабилизации его подъема зависят от массы сгораемого двигателя и составляют сотни метров Масса образующихся веществ может достигать десятков тонн. В данной работе производились вычисления выпадений и концентраций хлористого водорода и частиц окиси алюминия (окись алюминия представлена частицами размером до 160 мкм), как наиболее массовых продуктов сгорания. При этом частицы окиси алюминия размером менее 10 мкм считались легкими, а от 10

до 160 мкм - тяжелыми. Сформировавшееся облако, попадая в зону ослабленного турбулентного обмена, характерную для верхней части пограничного слоя и свободной атмосферы, может переноситься на расстояния, сравнимые с региональным масштабом. Поэтому при расчете траектории перемещения облака необходимо использовать данные о ветре на высоте.

Итак, предложенный нами способ построения траектории перемещения облака заключается в следующем. По карте АТ850 строится траектория частицы на 12 ч. Если конечная точка не вышла за пределы исследуемой территории (в данной работе рассматривается Пермская область), то производится дальнейшее построение траектории на 24 ч по прогностическим или фактическим картам. Построение траектории производится не более чем на 36 ч, то есть не более трех раз. После построения траектории по карте определяется отклонение траектории от прямолинейной. Для этого из конечной точки траектории восстанавливается перпендикуляр на касательную к изогипсе, проходящей через начальную точку (рис. 1). Вычисляется расстояние от начальной точки по прямой до перпендикуляра (£) и отклонение от этой прямой траектории (Л£). Это необходимо для введения поправки в изменение агс1я(М /1) Л

направления ветра Да =-2-- Д/, где г - время на которое строится

траектория (12 ч), Д/ - шаг по времени, который был принят равным 30 мин. Далее по кривизне изогипс вдоль траектории (циклоническая или антициклоническая) определяется знак поправки на изменение направления ветра. Поправка на отклонение траектории и кривизна изогипс определяются для каждого 12-ти часового отрезка.

Осевая и крайние точки порции

Рис. 1. Пример построения криволинейной траектории движения облака

Траектория движения облака разбивается на последовательные порции в виде прямоугольников (рис.1). Длина порции зависит от шага по времени Л/ и скорости переноса. Ее ширина определяется в зависимости от расстояния до источника вдоль оси движения как удвоенный радиус облака. Радиус облака рассчитывается на основе соотношения:

Л„ = Ло + 20/, (1)

где Я0 - начальный радиус облака (при I = 0). Длина порции равна Лг.

Вычисляются координаты осевых (центров порций) и крайних точек порций в зависимости от скорости и направления ветра. Поскольку в ПСА структура ветра неоднородна и приземный ветер будет отличаться от высотного, то с учетом правого поворота ветра вычисляются приземные координаты выпадений.

Масса сухих и мокрых выпадений хлороводорода и «легких» частиц алюминия вычисляется соответственно по формулам:

Оп= «„О--?«/), (2)

№„=т„( (3)

где т„ - масса примеси в порции, - функция сухого выведения, — функция выведения с осадками.

, , , А , й +

2 Л

К,

(4)

где т -г/У- время переноса облака или возраст примеси, г - расстояние вдоль траектории от источника, V - скорость ветра, - скорость сухого осаждения примеси на подстилающую поверхность, К, - коэффициент вертикальной турбулентной диффузии, И - высота источника примеси.

?иДт) = ехр(-А)/а (т), (5)

где интенсивность осадков I (х, у, I) зависит от координат х, у и реального времени I, а параметры Л и а - от типа примеси.

Сухие выпадения «тяжелых» частиц определяются исходя из массы частиц каждого размера согласно фракционному составу. Для этого по формуле Стокса определяется скорость падения частиц и при известной высоте поднятия облака и скорости перемещения рассчитываются расстояния, на которых происходит выпадение. Мокрые выпадения тяжелых частиц вычисляются по следующим формулам.

Щ = то "О,-от,; XVм =1ялЧ-т„(6)

где

те, =(от0-А)<;»; т2, N (?)

где т0 - начальная масса примеси, поступившей в атмосферу.

Для тяжелых частиц учитывается наличие упорядоченных вертикальных движений, путем расчета скорости этих движений и введения соответствующей поправки в скорость осаждения примеси, рассчитанной по формуле Стокса.

Зная общую массу примеси, выпавшую из данной порции и площадь этой порции можно рассчитать среднее значение выпадений. После этого предполагается, что примесь в облаке распределена по нормальному закону с максимумом в центре облака. На краях облака значения выпадений равны 10 % от максимального значения.

После вычисления выпадений рассчитываются мгновенные приземные концентрации примесей в воздухе и в осадках по формулам:

с = £>/К(/ /1200, (8)

С* =^///1200. (9)

В этих формулах производится деление на 1200 сек. дня того чтобы привести значение концентрации к 20-ти минутному интервалу, которому соответствует значение ПДКМ р.

2. Предложенная методика расчета средних концентраций примесей от наземных источников позволяет учесть совместный вклад состояния устойчивости атмосферы и ветрового режима территории.

Полученная нами методика основана на расчете повторяемостей скоростей ветра и классов устойчивости для конкретных направлений ветра, что позволяет при наличии климатической информации построить поля средних концентраций примесей. Расчеты средних концентраций производились на примере полигона ТБО.

Для расчета средних концентраций сначала рассчитываются удельные мгновенные концентрации для каждого класса устойчивости Пэскуила-Гиффорда при скорости ветра и = 1 м/с по известной формуле:

с=-

1

жтуо

,и

ехр

У

н1

Таг Таг

(10)

где С - концентрация примеси (мг/м ), ау - дисперсия примеси по горизонтали, ог - дисперсия примеси по вертикали, и - скорость ветра (м/с), у - расстояние от оси факела в поперечном ветру направлении, Н - высота источника (м). Дисперсии определяются по известным формулам. Для использования формулы (10), полученной для точечного источника, полигон, являющийся площадным источником, был представлен в виде суммы точечных источников, равномерно распределенных по его площади. Полигон размерами 700x700 м был разделен на 121 точечный источник (11*11) с расстоянием между источниками 70 м. Концентрация в определенной точке представлялась в виде суммы концентраций от всех точечных источников.

Расчет средней концентрации примеси на определенном расстоянии от источника для данного направления ветра рассчитывается следующим образом:

где ^ - средняя концентрация при направлении ветра (1„ для у'-й примеси, С\ - удельная средняя концентрация (2=1) при направлении ветра с/„, -масса выбросову'-й примеси.

4 = хха/щ^, (12)

*=1/=1

где С* - удельная концентрация для к-го класса устойчивости, рассчитанная по формуле (10), АТ=6, /¡¡и1с1п ~ повторяемость в долях единицы скоростей ветра

(включая штили), отмечавшихся для данного класса устойчивости и направления ветра, N - максимальное значение скорости ветра, которая отмечалась для данного класса устойчивости.

/ш,<*„ - /ш,</„ + Ьи<цп > (13)

где /к(ис!п - повторяемость в долях единицы скоростей ветра (без учета

штилей), отмечавшихся для к-го класса устойчивости и данного направления ветра, ~ повторяемость в долях единицы случаев штиля при к-м классе

устойчивости и данном направлении ветра.

(14)

1=1

где Рки,<1п ~ число случаев /-той скорости ветра при ¿-том классе устойчивости и данном направлении ветра, - общее число случаев (включая штили) для данного направления ветра, (/, - скорости ветра Ш,= 1,2...ДО.

/ки0а„ /36)//^ /£/„, (15)

где Ркц0 - число случаев штилей для А-того класса устойчивости. Для скорости

ветра равной нулю формула (10) не используется, поэтому (70 было принято равным 0,2 м/с. Поскольку при штиле направление ветра не может быть определено, число случаев штилей было равномерно распределено по всем направлениям, то есть: Рк!_Г() /36 - в случае если имеется климатическая

информация по направлению ветра через каждые 10°.

Л/„ =Л/Я /36, (16)

где Р^ - общее число случаев для данного направления ветра без учета штилей, Рц - общее число случаев штиля.

Расчет средних концентраций по рассмотренной методике может производиться для различных периодов осреднения. Нами были рассчитаны средние концентрации для сезонов и в целом за год.

Для расчета необходимых повторяемостей в формулах (12)-(16) были использованы данные АМСГ Б. Савино за 7 лет П 996-2002 гг.). Опишем процедуру отбора метеоданных д ля расчета повторяемостей.

Был сформирован ряд ежечасных наблюдений с января 1996 г. по декабрь 2002 г. Ряд содержит следующие данные, необходимые для расчетов: дату, срок, количество облачности, направление (через 10°) и скорость приземного ветра. Из полученного ряда были сделаны выборки для разных классов устойчивости, согласно условиям инсоляции и скорости приземного ветра. Далее были сформированы выборки по сезонам. В полученных сезонных рядах рассчитывалась повторяемость направлений ветра через каждые 10°. Затем для каждого направления рассчитывалась повторяемость скоростей ветра по каждому классу устойчивости. Общая повторяемость определенного класса для данного направления представляет собой сумму повторяемостей скоростей ветра, находящихся в пределах данного класса. Таким образом, предложенная методика расчета средних концентраций позволяет учесть совместный вклад состояния устойчивости атмосферы и скорости ветра в определенном направлении. Такой способ расчета повторяемостей скоростей ветра позволяет более точно учесть вклад этого метеопараметра в условия рассеивания, по сравнению с простым расчетом средней скорости ветра в данном направлении.

3. Предложенные методы расчета концентраций примесей позволяют оценить влияние различных метеорологических условий на уровни воздействия на окружающую среду источниками большой мощности.

Влияние метеорологических условий на уровни воздействия на окружающую среду облаком продуктов сжигания, образующимся при утилизации РДТТ.

Принципиальных отличий в полях концентраций хлороводорода и легких частиц окиси алюминия не отмечается, однако, существенные отличия имеет характер выпадений тяжелых частиц окиси алюминия. Это связано с тем, что крупные тяжелые частицы, имея высокую скорость оседания, быстро выводятся из атмосферы в ближней от источника зоне.

Проанализировано влияние скорости ветра, устойчивости атмосферы, упорядоченных вертикальных движений (УВД) и осадков на выпадения и концентрации примесей.

Скорость ветра. При любых других условиях уменьшение скорости ветра приводит к увеличению приземных концентраций примесей. Слабая скорость ветра на высоте переноса приводит к тому, что облако рассеивается вблизи источника, создавая повышенные концентрации. При скорости переноса 3 м/с и менее приземные концентрации примесей превышают ПДКмр при классах устойчивости от В до F и при скорости 2 м/с и менее при классе А.

Устойчивость атмосферы. Для оценки влияния устойчивости атмосферы на уровни загрязнения примесями, поступающими из облака продуктов сжигания, были рассчитаны выпадения и концентрации примесей при различных классах устойчивости Пэскуила-Гиффорда. При этом в расчетах использовались скорости ветра наиболее характерные для каждого класса.

Анализ результатов показал, что превышение ПДКМ р по HCL и легким частицам алюминия вблизи источника создается при классе А. Максимум

концентраций по хлороводороду (рис. 2) при этом отмечается на расстоянии около 40 км от источника и составляет 0,46 мг/м3 (2,3 ПДКир); по окиси алюминия на расстоянии около 50 км, максимум составляет 0,31 мг/м3

Повышенные концентрации примесей при классе А объясняются интенсивным вертикальным перемешиванием и, соответственно, повышенным поступлением примесей из облака к подстилающей поверхности при малой скорости переноса. Отсутствие высоких концентраций при устойчивой стратификации (классы Е и Р) связано с тем, что из облака, перемещающегося на большой высоте, при слабом турбулентном обмене, поступление загрязняющих веществ к земной поверхности затруднено. В этом случае облако может перемещаться на большие расстояния, сохраняя небольшие размеры, до тех пор, пока не изменятся условия устойчивости. При этом на больших расстояниях от источника могут возникнуть повышенные концентрации примесей.

(3,1 ПДКмр).

140-

О О'

20 40

60 80 100

X, км

Рис. 2. Поле приземной максимально-разовой концентрации хлористого водорода (мг/м3), ПДК„.р = 0,2 мг/м3. Класс устойчивости А

Значительная масса тяжелых частиц алюминия быстро осаждается вблизи источника. При малых горизонтальных размерах облака в начале траектории выпадения на единицу площади будут высокими, поэтому практически при всех условиях отмечается превышение ПДК„р. Наибольшая максимальная концентрация отмечается при классе Б (при скорости приземного ветра 1 м/с) и составляет 0,29 мг/м3 (2,9 ПДКМ р) на удалении от источника на расстоянии около 200 м.

Наихудшие условия, при которых создаются наибольшие концентрации примесей, отмечаются при классе устойчивости Е и скорости переноса 0,5 м/с (то есть при очень слабом ветре, практически штиле). Как видно из рис. 3, максимум концентрации хлороводорода отмечается на удалении около 33 км от источника и составляет 13,3 мг/м3 (67 ПДКМ р). Максимум концентрации легких частиц составляет 17,9 мг/м3 (179 ПДКмр) и находится на удалении около 42 км от источника. Максимум концентрации тяжелых частиц находится в непосредственной близости от источника (в 30 м) и составляет 3,4 мг/м3 (34 ПДКмр), при этом концентрация превышает ПДКир до расстояния 1800 м. Таким образом, при отмеченных условиях, концентрации загрязняющих веществ могут во много раз превышать предельно-допустимые над центральными районами города.

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

X, км

Рис. 3. Поле приземной максимально-разовой концентрации хлористого водорода над территорией г. Перми (мг/м3), ПДКмр. = 0,2 мг/м3.

Класс устойчивости Е, скорость переноса 0,5 м/с

Упорядоченные вертикальные движения. Наибольшее влияние УВД испытывают частицы с наименьшим диаметром (Юмкм). Влияние УВД на расстояния выпадения частиц размером более Юмкм можно считать несущественным. Учитывая, что расчеты производились при достаточно

высокой скорости УВД в 100 гПа/12 ч, влияние вертикальных движений на уровни загрязнения можно считать незначительным.

Осадки. Поля мокрых выпадений хлороводорода и окиси алюминия значительно отличаются от полей сухих выпадений. В результате вымывания происходит более быстрое выведение примесей из атмосферы, чем при сухом осаждении. Максимумы выпадений находятся в ближайшей расчетной точке от источника, в случае, если в момент сжигания двигателя идут осадки. Для хлороводорода и окиси алюминия максимумы удалены от источника примерно на 10 км, для тяжелых частиц - на 600 м.

Чем выше интенсивность осадков, тем больше значение максимума выпадений. При этом, при удалении от источника, выпадения, наоборот, уменьшаются за счет выведения из облака значительной массы примесей в начале траектории. Такую закономерность можно проследить по полям выпадений - начиная с интенсивности осадков 10 мм/ч, изолинии выпадений принимают, практически, вид окружности, вместо вытянутого эллипса.

Анализ результатов показал также, что на территории области при интенсивности осадков 1 мм/ч выпадает около 87 % от начальной массы HCL и легких частиц АЬ20з, а тяжелых частиц - 97 %. При интенсивности осадков 5 мм/ч и выше все вещества полностью выпадают на исследуемой территории.

Отметим, что используемая для расчетов модель позволяет на любом интервале времени вводить определенную интенсивность осадков.

Влияние метеорологических условий на уровни воздействия на окружающую среду примесями, поступающими от полигона ТБО.

Анализ результатов расчетов мгновенных концентраций загрязняющих веществ, выбрасываемых полигоном, при разных классах устойчивости показал, что превышение ПДКмр на границе санитарно-защитной зоны (СЗЗ) наблюдается только по аммиаку при классе устойчивости F. При этом превышение допустимой концентрации наблюдается до расстояния в 4 км от источника. Для расчета использовались характерные для каждого класса скорости ветра.

Нами были получены поля средних концентраций загрязняющих веществ, выбрасываемых полигоном, по сезонам и в целом за год. На рис. 4 представлено поле среднегодовых концентраций аммиака.

Анализ результатов показал, что по всем исследованным загрязняющим веществам превышение ПДКСС на границе СЗЗ отсутствует. Для всех сезонов и в целом за год характерно вытягивание изолиний средних концентраций в северо-восточном, а также в западном направлениях. Это связано с большой повторяемостью юго-западного и восточного направлений ветра. Наибольшие концентрации на границе СЗЗ наблюдаются зимой, наименьшие - весной. Относительно высокие концентрации зимой объясняются большей суммарной повторяемостью классов D, Е и F в этот сезон по сравнению с другими. При этих классах, особенно при Е и F, создаются наиболее неблагоприятные условия для рассеивания примесей. Также высокие концентрации в зимний период можно объяснить большей повторяемостью штилей и отсутствием случаев с классом устойчивости А. Относительно низкие концентрации весной

объясняются следующими причинами: невысокая суммарная повторяемость классов Э, Е и Р, наименьшая повторяемость штилей, большая повторяемость высоких скоростей ветра. Наибольшие приземные концентрации отмечаются по аммиаку, среднегодовой максимум на границе СЗЗ - 0,12 ПДКС(..

X М

Рис. 4. Поле приземных среднегодовых концентраций аммиака (доли ПДКес)

4. Разработанные рекомендации но организации мониторинга за исследуемыми источниками и выделение благоприятных и неблагоприятных метеоусловий позволяют снизить отрицательное воздействие на окружающую среду.

Учитывая результаты работы, можно предложить некоторые общие рекомендации по сжиганию двигателей, при соблюдении которых загрязнение окружающей среды будет наименьшим. Рекомендуется сжигать двига!ели при следующих метеороло1ических условиях.

• направление ветра на высоте переноса: от 300° до 90° через север;

• скорость ветра на высоте переноса: > 7 м/с;

• классы устойчивости: В, С и Э с учетом вышеуказанных направления и скорости ветра;

• отсутствие осадков в районе стенда утилизации РДТТ и в направлении смещения облака до расстояния в 50 км. В этом случае максимум мокрых выпадений будет отмечаться за пределами городской территории;

• отсутствие приподнятой инверсии температуры.

Проведенные расчеты наземной траектории поднятия облака позволяют более точно определять положение точек замеров выпадений примесей при мониторинге за данным источником.

Полученные поля средних концентраций для полигона ТБО также позволяют правильно рассчитать точки для проведения мониторинга за данным источником. Учитывая результаты работы, точки замеров концентраций наиболее репрезентативно располагать в северо-восточном и западном от полигона направлениях.

Основные выводы диссертации

1. Разработана траекторная модель переноса, рассеивания и осаждения загрязняющих веществ от высотных источников большой мощности (на примере стенда утилизации РДТТ) учитывающая влияние различных метеорологических параметров.

2. На основе разработанной модели оценены зоны и уровни возможного загрязнения окружающей среды облаком продуктов сжигания РДТТ.

3. Получена методика расчета средних концентраций загрязняющих веществ, выбрасываемых наземными источниками большой мощности (на примере полигона ТБО), которая позволяет учесть совместный вклад состояния устойчивости атмосферы и ветрового режима территории.

4. На основе разработанной методики получены поля средних концентраций примесей, поступающих от полигона ТБО.

5. Разработаны рекомендации по снижению неблагоприятного воздействия исследуемых источников на окружающую среду и по организации мониторинга за воздействием данных источников.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Загрязнение атмосферного воздуха г. Перми и сопредельных территорий вредными примесями, поступающими с полигона твердых бытовых отходов (д. Софроны) // Экология: Проблемы и пути решения: Матер. IX Межвуз. конф. - Пермь, 2001. - С. 27-31 (соавтор Шкляева Л.С.).

2. Перенос вредных примесей с полигона твердых бытовых отходов (д.Софроны) на г. Пермь и сопредельные территории // Перспективы развития естественных наук в высшей школе. Экология. Предпринимательство в научной сфере: Тр. междунар. науч. конф. - Пермь: Перм. ун-т, ЕНИ при Перм. ун-те, 2001. - С. 175-180 (соавторы Л.С. Шкляева, В.А. Шкляев).

3. Апробация методики расчета средних концентраций вредных веществ на примере промузла «Осенцы» // География и регион. Природопользование и

экологический мониторинг: Матер, междунар. науч.-практ. конф. / Пермь: Перм. ун-т, 2002. - С. 204-208 (соавторы Л.С. Шкляева, В.А. Шкляев).

4. Характеристика инверсий температуры в г. Перми для целей прогноза неблагоприятных метеорологических условий II Проблемы геологии и географии Сибири: Матер. Всерос. науч. Конф. / Томск: Томский ун-т, 2003. -С. 188-189.

5. Расчет возможных сценариев прогнозирования масштабов загрязнения опасным веществом на одном из предприятий г. Перми // Проблемы геологии и географии Сибири: Матер. Всерос. науч. Конф. / Томск: Томский ун-т, 2003. -С. 238-239 (соавтор Л.С. Шкляева).

6. Моделирование регионального переноса примеси в атмосфере в результате аварий и катастроф техногенного и природного характера // Региональный конкурс РФФИ-Урал / Пермь: ПНЦ УрО РАН, 2003. - С. 300-304 (соавторы Шкляев В.А., Шварц К.Г., Костылева Н.В., Шкляева Л.С., Баскевич И.А.).

7. Моделирование регионального переноса примеси в атмосфере в результате аварий и катастроф техногенного и природного характера // Региональный конкурс РФФИ-Урал / Пермь: ПНЦ УрО РАН, 2004. - С. 246-249 (соавторы Шкляев В.А., Шварц К.Г., Костылева Н.В., Шкляева Л.С., Баскевич И.А.).

8. Учет вертикального распределения метеорологических элементов при перемещении загрязняющих веществ от источников большой мощности // Проблемы географии Урала и сопредельных территорий: Матер, регион, науч.-практ. конф. - Челябинск, 2004. - С. 49-52 (соавтор Шкляев В.А).

9. Оценка выпадений хлороводорода из атмосферы при сжигании ракетных двигателей с твердым топливом // Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов и глобальной энергии: Матер. 3 междунар. науч.-практ. конф. / Астрахань: издательский дом «Астраханский университет», 2004. - С. 238-242 (соавтор Шкляев В.А).

10. Оценка выпадения частиц примеси в результате сжигания ракетных двигателей с твердым топливом // Матер. Всерос. науч. конф., посвященной 200-летию Казанского университета / Казань: КГУ, 2004. - С. 419-421 (соавтор Шкляев В.А).

11. Влияние метеорологических условий на перенос и рассеивание примесей от источников большой мощности // Экология: проблемы и пути решения: Матер. XIII Всерос. науч.-практ. конф. - Пермь, 2005. - С. 111-114 (соавтор Шкляев В.А).

12. Оценка зон воздействия источников выбросов большой мощности с целью создания системы мониторинга за переносом и выпадением вредных веществ // Матер. VIII научного совещания по прикладной географии. -Иркутск, 2005. - С. 72-73 (соавтор Шкляев В.А).

13. Создание системы мониторинга за рассеиванием и выпадением вредных веществ, образующихся при утилизации РДТТ // Актуальные проблемы современной науки. - Ч. 13. Экология: Тр. 1-го Междунар. Форума / Самара: изд-во СамГТУ, 2005. - С. 79-82. (соавтор Шкляев В.А.).

Подписано в печать 08.11.2005 г. Формат 60x84/16 Печать офсетная.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ

Отпечатано на ризографе ООО Учебный центр «Информатика». 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15.

«24102

РНБ Русский фонд

2006-4 25365

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Кожевников, Александр Сергеевич

щ ВВЕДЕНИЕ.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ В ТУРБУЛЕНТНОЙ АТМОСФЕРЕ.

1.1. Уравнение переноса и диффузии примеси в турбулентной атмосфере.

1.2. Процессы выведения примесей из атмосферы. ф 1.3. Моделирование диффузии примесей в атмосфере.

1.4. Моделирование дальнего (регионального) распространения примесей. 27'

1.5. Особенности моделирования распространения примесей от источников большой мощности.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ ОТ ВЫСОТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.

2.1. Особенности образования и перемещения облака загрязняющих веществ.

2.2. Модель переноса и рассеивания загрязняющих веществ от мгновенного высотного источника.

2.3. Влияние метеорологических условий в модели переноса облака.

2.4. Траектория, высота подъема и размеры облака загрязняющих веществ. ф. 2.5. Выпадения и концентрации примесей при различных метеорологических условиях на территории Пермской области.

2.6. Рекомендации по сжиганию РДТТ в городе Перми при различных метеорологических условиях.

0 3. СРЕДНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСЕЙ ОТ НАЗЕМНЫХ

ИСТОЧНИКОВ С УЧЕТОМ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ.

3.1. Характеристика источника.

3.2. Определение объема выбросов загрязняющих веществ от полигона

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Влияние комплекса метеорологических условий на диффузию примесей от неорганизованных источников большой мощности"

В результате производственной деятельности в атмосферу выбрасывается большое количество газообразных и твердых веществ, вступающих между собой в реакции и образующих опасные химические соединения. При осаждении загрязняющих веществ из атмосферы загрязняются почва, растительность, грунты, поверхностные и подземные воды. Загрязняющие вещества мигрируют, накапливаются, трансформируются в этих средах. Для оценки современного состояния окружающей природной среды и тенденций ее изменений необходима регулярная информация, получаемая на основе мониторинга окружающей природной среды.

Опасность воздействия антропогенных источников на природную среду зависит от массы выброса загрязняющих веществ (мощности источника) и от их класса опасности. Количественные характеристики мощности выбросов могут изменяться в очень широких пределах. Анализ стационарных источников, действующих в промышленности, показывает, что мощность выбросов, составляющая несколько килограммов за секунду, может считаться большой. Количество подобных источников в крупных городах обычно не превышает 5 % от общего количества источников, но на них приходится более 90 % всех выбросов. Примерами таких источников могут служить крупные промышленные узлы, полигоны твердых бытовых отходов (ТБО), аварии, связанные со взрывом боеприпасов, емкостей с горючими веществами, стендовые испытания и уничтожение ракетных двигателей с твердым топливом (РДТТ); вне городской территории к ним можно отнести открытые горные разработки полезных ископаемых.

При разработке и создании систем мониторинга за воздействием рассматриваемых источников следует учитывать величину зон возможного загрязнения, так как при их значительном размере система мониторинга должна охватывать большую территорию, что требует больших финансовых затрат. Однако, система мониторинга может быть оптимизирована. В этом случае создание системы мониторинга за компонентами природной среды, подвергающимся отрицательному воздействию, должно основываться на следующих принципах: определение зон максимального воздействия, определение возможных уровней воздействия, выявление наиболее уязвимых компонентов природной среды. При значительных размерах зон возможного воздействия источников большой мощности на первый план выходит разработка моделей и методик оценки загрязнения окружающей среды.

На перенос, рассеивание и выпадение вредных веществ, выбрасываемых источниками большой мощности, оказывают влияние: различные метеорологические факторы (направление и скорость ветра, атмосферные осадки, условия рассеивания примеси в атмосфере, которые характеризуются температурной стратификацией атмосферы), характеристики самого источника воздействия (высота, площадь, температура выбрасываемых загрязняющих веществ), условия рельефа местности.

В настоящее время большинство исследований посвящено проблемам моделирования распространения примесей от непрерывных стационарных источников [4, 31, 32, 36, 64, 65, 74, 78, 99, 119]. При этом мало внимания уделяется вопросам моделирования загрязнения окружающей среды мгновенными источниками [11, 44, 55, 75]. Выделение загрязняющих веществ при этом представляет собой, как правило, взрыв или кратковременный выброс. Особую актуальность моделирование распространения примесей от мгновенных источников приобретает, тогда, когда увеличивается частота воздействия на компоненты природной среды, например, при утилизации ракетных двигателей. На данный момент слабо изучены масштабы и характер воздействия этих выбросов на окружающую среду.

Существующие оценки зон воздействия строятся на расчете максимальных концентраций, определяемых в соответствии с ОНД-86 [58], и не учитывают многообразия фактически наблюдаемых погодных условий. Кроме того, данная методика не позволяет оценивать концентрации от мгновенных и высотных источников.

Актуальность представленной работы состоит в необходимости разработки моделей и методик оценки загрязнения компонентов окружающей природной среды источниками большой мощности с учетом многообразия наблюдающихся метеорологических условий.

Цель работы заключается в оценке роли комплекса метеорологических условий при исследовании диффузии загрязняющих веществ, а также размеров зоны загрязнения от источников выбросов большой мощности (на примере открытого стенда утилизации РДТТ и полигона ТБО).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• разработка модели распространения загрязняющих веществ 07 высотных источников большой мощности (на примере облака продуктов сгорания РДТТ), учитывающей многообразие метеорологических условий;

• оценка выпадений и концентраций примесей от облака продуктов сгорания РДТТ на основе разработанной модели при различных метеорологических условиях;

• разработка методики расчета средних концентраций загрязняющих веществ, выбрасываемых наземными источниками большой мощности (на примере полигона ТБО), основанной на использования климатической информации для данного региона;

• оценка концентраций примесей, поступающих от полигона ТБО, на основе разработанной методики;

• разработка рекомендаций по снижению неблагоприятного воздействия исследуемых источников на окружающую среду и по организации мониторинга за воздействием данных источников.

Основные защищаемые положения:

• разработка модели распространения загрязняющих веществ, образующихся при утилизации РДТТ на открытом стенде, базируется на построении траектории перемещения облака и расчете осаждения из него примесей;

• предложенная методика расчета средних концентраций примесей от наземных источников позволяет учесть совместный вклад состояния устойчивости атмосферы и ветрового режима территории;

• предложенные методы расчета концентраций примесей позволяют оценить влияние различных метеорологических условий на уровни воздействия на окружающую среду источниками большой мощности;

• разработанные рекомендации по организации мониторинга за исследуемыми источниками и выделение благоприятных и неблагоприятных метеоусловий позволяют снизить отрицательное воздействие на окружающую среду.

Информационная база. Работа выполнялась с использованием архива данных: станции Б. Савино (количество облачности, направление и скорость приземного ветра за 1996-2002 гг.), Пермского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды • (результаты • температурно-ветрового зондирования за 1997-2001 гг.). Также в работе использованы данные отчета научно-исследовательского института полимерных материалов (г. Пермь) и Естественнонаучного института при Пермском государственном университете.

Научная новизна:

• разработана траекторная модель регионального переноса облака примесей, образующихся в результате сжигания РДТТ;

• предложена методика расчета средних концентраций примесей от наземного площадного источника, которая основана на совместном учете состояния устойчивости атмосферы и ветрового режима территории;

• проведена оценка влияния комплекса метеоусловий на перенос, рассеивание и осаждение загрязняющих веществ от источников большой мощности, а также оценены зоны возможного загрязнения окружающей среды рассматриваемыми источниками.

Практическая значимость работы определяется возможностью использования ее результатов при • разработке системы экологического мониторинга за воздействием рассматриваемых источников на окружающую среду органами контроля качества атмосферного воздуха. Предложенные в работе модели расчета загрязнения окружающей среды можно использовать для исследования воздействия источников подобного типа на компоненты природной среды. Разработанные рекомендации по регулированию выбросов в периоды неблагоприятных метеорологических условий помогут снизить отрицательное воздействие источника на окружающую среду.

С учетом результатов выполненной работы возможна модернизация программы спецкурса «Фоновый мониторинг атмосферного воздуха».

Выполненная работа нашла научно-практическую реализацию в отчетах грантов РФФИ-Урал (02-05-96401) за 2002-2003 гг., Федерального агентства по образованию (А04-2.13-489) за 2004-2005 гг. и научно-технической программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (код проекта 49-184) за 20042005 гг.

Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на:

1) IX Мелсвузовской конференции «Экология: Проблемы и пути решения» (г.Пермь, 2001 г.); 2) Международной научной конференции «Перспективы развития естественных наук в высшей школе» (г.Пермь, 2001 г.); 3) Международной научно-практической конференции «География и регион» (г. Пермь, 2002 г.); 4) Научной конференции, посвященной 125-летию основания Томского государственного университета и 70-летию геолого-географического факультета (г. Томск, 2003 г.); 5) региональной научно-практической конференции «Проблемы географии Урала и сопредельных территорий» (г. Челябинск, 2004 г.); 6) 3-й Международной научно-практической конференции «Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов и глобальной энергии» (г. Астрахань, 2004 г.); 7) Всероссийской научной конференции, посвященной 200-летию Казанского университета (г. Казань, 2004 г.); 8) XIII Всероссийской научно-практической конференции «Экология: проблемы и пути решения» г. Пермь, 2005 г.); 9) VIII Всероссийском научном совещании по прикладной географии (г.Иркутск, 2005 г.); 10) 1-м Международном форуме (6-й Международной конференции) «Актуальные проблемы современной науки» (г. Самара, 2005 г.).

Результаты исследований, выполненных по теме диссертации, изложены в 13 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения. Основной текст изложен на 112 страницах. Работа содержит 15 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 121 наименования и приложения на 66 страницах.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Кожевников, Александр Сергеевич

Результаты работы позволяют сделать следующие основные выводы:

• превышение мгновенными концентрациями ПДКм.р. на границе санитарно-защитной зоны (СЗЗ) отмечается только по аммиаку при классе устойчивости F (устойчивая стратификация). Повторяемость данного класса в целом за год составляет около 7 %. Наибольшая повторяемость характерна для класса D (нейтральная стратификация);

• сравнение значений мгновенных концентраций, рассчитанных на основе классов устойчивости, с концентрациями, полученными по методике ОНД-86, показало, что наибольшее соответствие наблюдается при классах В и С;

• наибольшее вредное воздействие полигон оказывает на территории, расположенные от него в северо-восточном направлении. Наиболее неблагоприятные условия для рассеивания примесей отмечаются зимой, наиболее благоприятные - весной;

• по всем исследованным загрязняющим веществам превышение средних концентраций ПДКС-С. на границе СЗЗ отсутствует. Наибольшая концентрация на границе СЗЗ отмечается по аммиаку и составляет 0,12ПДКС.С,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы проведен анализ влияния комплекса метеорологических условий на уровни воздействия и зоны возможного загрязнения окружающей среды вредными примесями, выбрасываемыми некоторыми источниками большой мощности.

В качестве источников большой мощности рассмотрены стенд утилизации ракетных двигателей с твердым топливом (РДТТ) и полигон твердых бытовых отходов (ТБО). Рассмотрим результаты работы для каждого источника.

Для оценки влияния метеорологических условий на загрязнение окружающей среды облаком сжигания РДТТ на открытом стенде была разработана траекторная модель переноса и рассеивания облака примесей. Основными метеорологическими параметрами, используемыми в данной модели для проведения расчетов, являются: скорость и направление ветра на высоте переноса и у земли, осадки (их наличие или отсутствие), стратификация атмосферы и упорядоченные вертикальные движения. Данная модель позволяет: 1) определять зоны возможного загрязнения в зависимости от метеорологических условий; 2) рассчитывать траекторию движения облака, что обеспечивает более правильное определение точек проведения мониторинга за данным источником; 3) вычислять выпадения примесей из облака вдоль рассчитанной траектории для определения воздействия на почву данного источника; 4) рассчитывать поля концентраций загрязняющих веществ для оценки загрязнения атмосферного воздуха; 5) проводить расчеты регионального переноса примесей от различных высотных (высоких) источников; 6) определять метеорологические условия, способствующие повышенным выпадениям и концентрациям примесей от данного источника, что позволяет разрабатывать рекомендации по нормированию выбросов в периоды неблагоприятных метеоусловий.

Дальнейшее усовершенствование разработанной модели возможно за счет более точного учета полей ветра и осадков, скоростей сухого осаждения и коэффициентов вымывания отдельных примесей, коэффициентов вертикальной и горизонтальной диффузии.

На основе разработанной модели были проведены расчеты загрязнения окружающей среды облаком примесей, образующимся при утилизации РДТТ на открытом стенде научно-исследовательского института полимерных материалов (г. Пермь). Рассмотрим основные выводы, полученные в результате расчетов по модели:

• начальная концентрация вредных веществ в центре облака может превышать ПДК в тысячи раз, однако, за счет быстрого всплытия облака на значительную высоту, концентрации у поверхности земли могут быть низкими и во многом их значения определяются метеорологическими условиями. Показано, что облако примесей может оказывать вредное воздействие на территории, расположенные на значительном удалении от источника. Так, вычисленный нами радиус влияния хлороводорода составил 1500 км, а оксида алюминия -2500 км. Максимумы выпадений и концентраций этих загрязняющих веществ при определенных метеорологических условиях могут находиться на расстоянии в несколько сотен километров от источника. Высокие концентрации в центре облака по ходу его движения могут сохраняться в течение длительного времени;

• установлено, что при разных классах устойчивости суммарное оседание примесей на территории Пермской области может варьироваться в пределах от 100 % до менее 1 % для легких примесей и от 100 % до 91 % для тяжелых;

• наибольшее влияние на уровни загрязнения от облака оказывают скорость ветра и стратификация атмосферы. При моделировании переноса облака необходимо использовать направление и скорость ветра на высоте. Однако приземный ветер также оказывает влияние на координаты выпадений примесей. С удалением от источника происходит рассеивание облака и влияние приземного ветра на значение выпадений в определенной точке уменьшается;

• упорядоченные вертикальные движения оказывают незначительное влияние на выпадение тяжелых частиц. Наибольшее влияние испытывают частицы с наименьшим диаметром;

• при наличии осадков обложного характера вдоль всей траектории движения облака на территории Пермской области выпадет большая часть массы примеси. Процент выпавшей примеси будет зависеть от скорости переноса и интенсивности осадков. При наличии осадков ливневого характера с отдельными очагами локализации выпадения будут увеличиваться соответственно в местах их локализации;

• наиболее неблагоприятные условия, когда отмечаются наибольшие выпадения и концентрации примесей, наблюдаются при классе устойчивости Е и скорости ветра на высоте переноса 0,5 м/с. При этом концентрации вредных примесей могут превышать предельно-допустимые в несколько десятков раз над центральными районами города. Установлен комплекс метеорологических условий, при которых воздействие на окружающую среду будет наименьшим. Предложенные критерии значений метеопараметров могут учитываться при утилизации РДТТ.

Для оценки воздействия на окружающую среду примесей, поступающих от полигона ТБО, разработана методика расчета средних концентраций. Данная методика основана на использовании климатической информации, имеющейся для рассматриваемого региона, и предполагает расчет повторяемостей классов устойчивости Пэскуила-Гиффорда в совокупности с направлением и скоростью ветра. С помощью методики можно оценивать как концентрации средние за год, так и концентрации отдельно для любого сезона или даже месяца. Методика позволяет проводить расчеты для различных стационарных наземных источников (точечных, линейных, площадных). В качестве примера расчетов использован полигон ТБО г. Перми (городская свалка в д. Софроны).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Кожевников, Александр Сергеевич, Пермь

1. Андреев В., Панчев С. Динамика атмосферных термиков. JL: Гидрометеоиздат, 1975. - 152 с.

2. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей / Под ред. Ф.Т.М. Ньистадта и X. Ван Допа. Пер. с англ. Под ред. A.M. Яглома. JL: Гидрометеоиздат, 1985. - 352 с.

3. Батка М., Беднар Я., Брехлер И., Копачек Я. Дисперсионная модель для оценки переноса загрязняющих воздух веществ на средние расстояния U Проблемы фонового мониторинга состояния природной среды. Вып. 4. - JL: Гидрометеоиздат, 1986.-С. 155-165.

4. Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. JL: Гидрометеоиздат, 1986. С. 196.

5. Беляшова М.А. Вымывание частиц мелкодисперсной фракции атмосферными осадками на побережье Кольского полуострова // Труды ГГО. 1975. Вып. 352.-С. 200-206.

6. Берлянд М.Е. и др. Численное исследование атмосферной диффузии при нормальных и аномальных условиях стратификации // Труды ГГО. 1964. Вып. 158.-С. 22-32.

7. Берлянд М.Е. Исследование атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы / Современные исследования Главной геофизической обсерватории. 2001. -Том2.-С. 117-145.

8. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-272 с.

9. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.

10. Бесчастнов СЛ., Бурлака Н.М., ТарабараА.В. Оценка воздействия на окружающую среду ликвидации твердотопливных ракет методом подрыва // Военная экология. 2004, №4. - С. 59-64.

11. Бронин Б.Н., Эрдман Л.К. Влияние погрешностей определения скоростей ветра на положение расчетной траектории воздушных масс // Труды ИПГ. -1982, вып. 48. С.43-53.

12. Бызова Н.Л. Рассеивание примеси в пограничном слое атмосферы М.: Гидрометеоиздат, 1974. - 191 с.

13. Бызова Н.Л., Гаргер Е.К. Экспериментальное исследование параметров диффузии с помощью дымовых струй // Изв. АН СССР, ФАО. 1970. Т. 6, №10.-С. 996-1006.

14. Бызова Н.Л., Иванов В.Н. Оценка параметров поперечной диффузии в нижнем слое атмосферы по турбулентным характеристикам. Изв. АН СССР, ФАО. - 1967. Т. 3, №5. - С. 481-495.

15. Вельтищева Н.С. Вопросы дальнего переноса загрязняющих воздух веществ. Обзорная информация. Вып. 5. Обнинск: ВНИИГМИ МЦД, 1979. - 55 с.

16. Временные рекомендации по расчету выбросов вредных веществ в атмосферу в результате сгорания на полигонах твердых бытовых отходов и размера предъявляемого иска за загрязнение атмосферного воздуха. Утв. Минэкологии РФ 2.11.1992г.

17. Гальперин М.В. Модель для расчета дальнего трансграничного переноса соединений серы в атмосфере (выпадения и концентрации) // Тр. ИНГ. 1988. Вып. 71.-С. 9-13.

18. Гальперин М.В. О смещении оценок содержания примесей в атмосфере, обусловленном статистическими флуктуациями скоростей выведения // Метеорология и гидрология. 1984. №4. - С. 23-31.

19. Гальперин М.В. Статистические флуктуации скоростей выведения примесей из атмосферы и их влияние на процессы переноса // Тр. ИПГ. 1985. Вып. 62. -С. 33-58.

20. Гальперин М.В., Афиногенова О.Г. Балансовая оценка сезонных изменений параметров дальнего переноса и сухого осаждения S02 и сульфатов из атмосферы // Тр. ИПГ. 1988. Вып. 71. - С. 75-83.

21. Гальперин М.В., Афиногенова О.Г. К оценке параметров вымывания осадками соединений серы из атмосферы // Тр. ИПГ. 1988. Вып. 71. -С. 75-83.

22. Гаргер Е.К. Исследование поперечной диффузии от высотного источника примеси // Тр. ИЭМ. 1970. Вып. 15. - С. 66-85.

23. Гаргер Е.К. Оценка дисперсий координат частиц примеси в слое перемешивания // Тр. ИЭМ. 1984. Вып. 29 (103). - С. 11-25.

24. Гаргер Е.К. Расчет диффузионных характеристик поля концентрации невесомой примеси в приземном слое атмосферы // Тр. ИЭМ. 1984. Вып. 29(103).-С. 54-69.

25. Гаргер Е.К., Найденов А.В., Уваров Д.Б. О поперечной диффузии в приземном слое атмосферы. // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. -1980. Т. 16, №4.-С. 368-375.

26. Генихович E.JI. Оценка количества примеси, вымываемой осадками из дымового факела // Тр. ГГО. 1984. Вып. 479. - С. 30-38.

27. Гончаров Е.А, Пискунов В.Н., Харченко А.И. и др. Модель, описывающая динамику подъема облака неядерного взрыва // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Теоретическая и прикладная физика. 1995, Вып. 3/1. С. 59-68.

28. Динамическая метеорология / Под ред. Д.Л. Лайхтмана. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 608 с.

29. Заводски Д. Региональный перенос серы в центральной Европе в 1980 г. Оценка переноса с помощью математической модели // Проблемы фонового мониторинга состояния природной среды. Вып. 4. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986.-С. 173-180.

30. Зверев А.С. Синоптическая метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. -712 с.

31. Ивлев Л.С. и др. Вымывание аэрозоля в приземном слое атмосферы // Тр. ГГО. 1973, Вып. 293. - С. 161-171.

32. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. Изд. 2-е, доп. М.: Гидрометеоиздат, 1984. - 560 с.

33. Израэль Ю.А., Михайлова Ж.Э., Прессман А.Я. Модель для оперативной оценки трансграничных потоков антропогенных примесей // ДАН СССР. -1980. Т. 253, №4. С. 848-852.

34. Израэль Ю.А., Назаров И.М., Прессман Ф.Я. и др. Кислотные дожди. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.-270 с.

35. Исследование и оценка переноса загрязняющих веществ на большие расстояния / Ю.А. Израэль, А.В. Лысак, И.М. Назаров и др. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 12 с.

36. Кароль И.Л. О влиянии турбулентной диффузии в направлении ветра на распределение концентрации субстанции, диффундирующей в атмосфере // ДАН СССР. 1960. Т. 131, №6.-С. 1283-1286.

37. Кароль И.Л., Рудаков В.В., Тимофеев Ю.М. Газовые примеси в атмосфере. -JL: Гидрометеоиздат, 1983. 192 с.

38. Кожевников А.С., Шкляев В.А. Влияние метеорологических условий на перенос и рассеивание примесей от источников большой мощности // Экология: проблемы и пути решения: Матер. XIII Всерос. науч.-практ. конф. -Пермь, 2005.-С. 111-114.

39. Кожевников А.С. Характеристика инверсий температуры в г. Перми для целей прогноза неблагоприятных метеорологических условий // Проблемы геологии и географии Сибири: Матер. Всерос. науч. Конф. / Томск: Томский ун-т, 2003.-С. 188-189.

40. Количественная оценка риска химических аварий / Колодкин В.М., Мурин А.В., Петров А.К., Горский В.Г. / Под ред. В.М. Колодкина. Ижевск: Издательский дом «Удмуртский институт», 2001. - 228 с.

41. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. -М.: Наука, 1982.-320 с.

42. Матвеев JI.T. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1984.-751 с.

43. Математическое моделирование мезометеорологических процессов: Учебное пособие / Гаврилов А.С. JI., 1988. - 96 с.

44. Махонько К.П. Элементарные теоретические представления о вымывании примеси осадками из атмосферы // Тр. ИПГ. 1967. Вып. 8 - С. 26-34.

45. Метеорология и атомная энергия / Пер. с англ. под ред. H.JI. Бызовой и К.П. Махонько. JL: Гидрометеоиздат, 1971. - 648 с.

46. Методика по определению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от неорганизованных источников предприятий легкой промышленности», Москва, 1992.

47. Методические указания по расчету количественных характеристик выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от полигонов твердых бытовых и промышленных отходов. Москва, 1997.

48. Михайлова Ж.Э. Модель для оценки вклада крупных источников в трансграничное загрязнение атмосферы и местности соединениями серы в масштабах континента // Тр. ИПГ. 1982. Вып. 48. - С. 22-34.

49. Монин А.С. Полуэмпирическая теория турбулентной атмосферной диффузии // Труды геофизического института АН СССР, 1956, № 33. С. 3-47.

50. Мониторинг трансграничного переноса загрязняющих воздух веществ. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.-303 с.

51. Мушенко П.М. Экспериментальное исследование рассеяния примеси от мгновенных источников. Тр. ЛГМИ. - 1963. Вып. 15. - С. 153-160.

52. Научно прикладной справочник по климату СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. Серия 3, Части 1-6, Вып. 9. -557 с.

53. Научное обоснование методики расчета распространения примеси в атмосфере при испытаниях на открытых стендах. Отчет ИПГ по теме. 1993.

54. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Госкомгидромет. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 92с.

55. Осипов Ю.С. Связь поперечного рассеяния примеси в приземном слое атмосферы с характеристиками турбулентности. - Метеорология и гидрология. - 1972, №6. - С. 42-50.

56. Оценка переноса двуокиси серы и сульфатов на территорию СССР / П.А. Брюханов, Е.В. Крюков, И.М. Назаров, А.Г. Рябошапко. Труды ИПГ, 1982, вып. 41.-С. 14-21.

57. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука, 1985. - 256 с.

58. Пененко В.В., Скубиевская Г.И. Математическое моделирование в задачах химии атмосферы // Успехи химии. 1990. Т.59. Вып. 11. - С. 1757-1776.

59. Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух. СПб.: Изд. «Петербург - XXI век». 1996. - 144с.

60. Перкаускас Д., Сенута К. Региональная модель распространения S02 над территорией Литовской ССР // Проблемы фонового мониторинга состояния природной среды. Вып. 6. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - С. 244-251.

61. Прессман А.Я., Вельтищева Н.С. Распространение в атмосфере примеси от непрерывного вертикального источника в поле переменного ветра. Труды Международного симпозиума. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975.

62. Разработка плана природоохранных мероприятий при обращении 'с ракетоносителями и РДТТ. Т.З. Расчет удельных выбросов загрязняющих веществ от открытого стенда НИИ ПМ. Отчет о научно-исследовательской работе по теме. Пермь. 2002.

63. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. РД52.04.186-89. — М.: Гидрометеоиздат, 1991. 694 с.

64. Рябошапко А.Г. Модель химических превращений и выведения из атмосферы соединений серы и азота при дальнем атмосферном переносе // Тр. ИПГ. -1988. Вып. 71.-С. 25-32.

65. СанПиН 2.2.1/2.1.1.001-98 «СЗЗ Санитарно-защитные зоны и санитарн&т классификация предприятий, сооружений и иных объектов. Санитарные правила и нормы Пермской Области».

66. Селезнева Е.С. Атмосферные аэрозоли. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. -С. 82-83.

67. Семенченко Б.А., Белов П.Н. Метеорологические аспекты охраны природной среды: Учебное пособие / М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984. 96 с.

68. СкорерР.С. Аэрогидродинамика окружающей среды. М.: Мир, 1980. -549 с.

69. Стойкие органические загрязнители в окружающей среде / В.Шаталов, С. Дутчак, М. Федюнин, Е. Манцева, Б. Струков, М. Варыгина, Н. Вулых, В. Аас, С. Мано. ЕМЕП. Отчет 3/2003. - 49 с.

70. Суслонов В.М. Воздействие на окружающую среду кратковременных выбросов большой мощности: Учеб. пособие / В.М. Суслонов, Н.Г.Максимович, В.Н.Иванов, В.А. Шкляев. Пермь: Перм. ун-т, 2005. -126 с.

71. Типовые характеристики нижнего 300-метрового слоя атмосферы по измерениям на высотной мачте / Под ред. H.JI. Бызовой. М.: Московское отделение гидрометеоиздата, 1982. - 68 с.

72. Тищенко Н.Ф. Охрана атмосферного воздуха. Расчет содержания вредных веществ и их распределение в воздухе. Справочное изд. - М.: Химия, 1991. -368 с.

73. Тяжелые металлы: трансграничное загрязнение окружаюшей среды / И. Ильин, О. Травников, В. Аас, Н. Уггеруд. ЕМЕП. Отчет 2/2003. - 42 с.

74. Шварц К.Г., Шкляев В.А. Математическое моделирование задач окружающей среды (моделирование глобальных процессов): Учеб. пособие по спецкурсу / Пермь: Перм. ун-т, 2002. 106 с.

75. ШкляевВ.А., Кожевников А.С. Оценка выпадения частиц примеси в результате сжигания ракетных двигателей с твердым топливом // Матер. Всерос. науч. конф., посвященной 200-летию Казанского университета / Казань: КГУ, 2004. С. 419-421.

76. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. - 711 с.

77. Яглом A.M. О турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы. Изв. АН СССР, ФАО. - 1972. Т. 8, №6. - С. 579-594.

78. Acidification today and tomorrow. Stocholm, 1982. - 232 p.

79. Bollin В., Persson G. Regional dispersion and deposition of atmospheric-pollutants with particular application to sulfur pollution over Western Europe. Tellus, 1975, № 3, P. 281-310.

80. Chaundhry F.H., Meroney R.N. Similarity theory of diffusion and the observed vertical spread in the diabatic surface layer. Boundary-Layer Meteorol., 1973, P. 3, 405-415.

81. Eliassen A. The OECD study of long-range transport of air pollution long-range transport modeling. Atm. Environ, 1978, vol. 12, № 1, P. 28-40.

82. Eliassen A. The trajectory model: a technical description. Oslo, Norwegian Institute for Air Research, 1976. - 14 p.

83. Eliassen A., Hov O., Isalcsen I., Saltbones J. A lagrangian long-range transport model with atmospheric boundary layer chemistry. J. Appl. Met., 1982, vol. 8. -P. 1645-1661.

84. Eliassen A., Saltbones J. Modeling of long-range transport of sulphur over Europe: A two-year model run and some model experiments. EMEP MSC-W, Rep. 1/82, 1982.-49 p.

85. Ellenton G., Ley В., Misra P.K. A trajectory puff model of Sulfur transport for Eastern North America // Atm. Environ. 1985. Vol. 19, №5. - P. 727-737.

86. Fisher B.E.A. The long range transport of air pollutants. A review of processes and models. CERL, RD/L/2187 № 81, 1982. - 28 p.

87. Fowler P. Removal of sulfur and nitrogen compounds from the atmosphere in rain and by dry deposition. In: Ecological impact of acid precipitation. Oslo: Villco Trycceri A/s, 1980, p. 22-32.

88. Gifford F.A. A simultaneous Lagrangian-Eulerian turbulence experiment. Mon. Wea. Rev., 1955, P. 83, 293-301.

89. Gifford F.A. Diffusion in a diabatic surface layer. J. Geophys. Res., 1962, P. 67, 3207-3212.

90. Gillani N.V., Kohli S., Wilson W.E., Gas-to-particle conversion of sulfur in power plant plumes. I. Parametrization of the conversion rate for dry, moderately pollutedambient conditions. Atm. Environ. - 1891, vol. 15, N10/11. -p. 2293-2313.

91. Юб.Наппа S.R. Some statistics of Lagrangian and Eulerian wind fluctuations. J. Appl. Meteor., 1978, P. 18,518-525.

92. Hay J.S., Pasquill F. Diffusion from a continuous source in relation to the spectrum and scale of turbulence. Advances in Geophysics, Vol. 6, Academic Press, N. Y., 1959, P. 345-365.

93. Hicks B.B. Some limitations of dimensional analysis and power laws. Boundary-Layer Meteorol., 1978, 14, 567-569.

94. Horst T.W. Lagrangian similarity modeling of vertical diffusion from a ground level source. J. Appl. Meteor., 1979, P. 18, 733-740.

95. Lamb. R.G. The effects of release height on material dispersion in the convective planetary boundary layer. Preprint vol. AMS Fourth Symposium on Turbulence, Diffusion and Air Pollution, Reno, N.V., 1979.

96. Nieuwstadt F.T.M. Application of mixed layer similarity to the observed dispersion from a ground level source. J. Appl. Meteorol., 1980, P. 19, 157-162.

97. Pasquill F. Atmospheric Diffusion 2nd Ed. John Wiley and Sons, New York, 1974.

98. Pasquill F. The estimation of the dispersion of windborne material. Meteorol. Mag., 1961, P. 90,33-49.

99. Pielke R.A. A three-dimensional numerical model of the sea breezes over south Florida. Mon. Wea. Re., 1974, P. 102, 115-139.

100. Prahm L.P. et al. Regional source quantification model for sulphur oxides ill Europe. Atm. Environ, 1980, vol. 14. - P. 1027-1054.

101. Reid J.D. Markov chain simulations of vertical dispersion in the neutral surface layer for surface and elevated releases. Boundary-Layer Meteorol., 1979, P. 16, 3-22.

102. Sehmel G.A. Particle and gas dry deposition: a review // Atm. Environ. 1980. Vol. 14, №9-P. 983-1011.

103. Sherman C.A. A mass consistent model for wind fields over complex terrain. J. Appl. Meteor., 1978, P. 17, 312-319.

104. Skjelmoen Т.Е., Schang T. Data report October 1980 September 1981 - NILU, EMEP/CCC, Report 6/84. - Lillestrom, 1984. - 452 p.

105. Taylor G.I. Diffusion by continuous movements. Proc. London Math. Soc., 1921, P. 20, 196-202.

106. The OECD programme on LRTAP. Measurements and findings. Paris, OECD, 1977.-320 p.