Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Анализ факторов антропогенного загрязнения атмосферного воздуха территориально- производственного комплекса и существующих оценок его экологического состояния 12
1.1 Анализ антропогенных источников выбросов в атмосферный воздух территориально-производственного комплекса 12
1.1.1 Анализ основных загрязняющих атмосферный воздух веществ и классификаций их источников 12
1.1.2 Специфика состава выбросов примесей в атмосферный воздух от автотранспорта 16
1.1.3 Анализ стационарных источников республики как загрязнителей атмосферного воздуха 23
1.2 Анализ критериев и параметров оценки экологического состояния атмосферного воздуха территориально- производственного комплекса
1.3 Анализ закономерностей рассеивания примесей в атмосфере территориально-производственного комплекса 36
1.4 Предпосылки моделирования оценки состояния атмосферного воздуха территориально-производственного комплекса 47
1.5 Выводы по первой главе 50
ГЛАВА II Оценка факторов, обусловливающих генерирование и рассеивание примеси в
воздушной среде 52
2.1 Модель оценки опасности атмосферного воздуха территориально-производственного комплекса 52
2.2 Моделирование процессов самоочищения атмосферы в приземном слое 59
2.2.1. Самоочищение среды в критерии опасности атмосферы 59
2.2.2 Предикторы осаждения примеси из атмосферы 63
2.2.3 Вымывание примесей осадками из атмосферы 70
2.3 Методика оценки категории опасности выбросов от источников загрязнения атмосферного воздуха 73
2.4 Ранжирование стационарных источников загрязнения атмосферы Республики Мордовия по массе выбросов 77
2.5 Оценка категории опасности предприятий, веществ территориально-производственных комплексов Республики Мордовия 79
2.6 Комплексная оценка влияния автомобильного транспорта на качество атмосферного воздуха промышленных центров Республики Мордовия (на примере г.Саранска) 86
2.7 Результаты по моделированию нормативного объема воздушной смеси 95
2.8 Физико-географическая и климатическая характеристика Республики Мордовия 107
2.9 Выводы по второй главе 112
ГЛАВА III Моделирование дальности переноса примеси в атмосферном воздухе территориально-производственного комплекса с учетом объемных характеристик смеси
3.1 Моделирование объема смеси в условиях атмосферы
3.2 Изменение параметров потока факела смеси в граничных условиях
3.3 Результаты по моделированию реального объема распространения примеси
3.4 Выводы по третьей главе 138
ГЛАВА IV Комплексная оценка и управление опасностью атмосферы 140
4.1 Комплексная оценка опасности и картирование загрязняемой территории 140
4.1.1 Расчет единичного критерия опасности и картирование загрязняемой территории 140
4.1.2 Методика расчета комплексного критерия опасности атмосферы и картирование загрязняемой территории 150
4.2 Проверка адекватности оценки опасности атмосферы 156
4.3 Управление экологическим состоянием атмосферы 159
4.3.1 Задача управления экологическим состоянием с учетом критерия опасности 159
4.3.2 Управление экологическим состоянием атмосферы, загрязняемой ОАО «Мордовцемент» 163
4.4 Выводы по четвертой главе 173
ВЫВОДЫ 174
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 176
ПРИЛОЖЕНИЯ 193
- Анализ основных загрязняющих атмосферный воздух веществ и классификаций их источников
- Модель оценки опасности атмосферного воздуха территориально-производственного комплекса
- Моделирование объема смеси в условиях атмосферы
Введение к работе
Актуальность работы. На сегодняшний день, проблема качества воздушной среды является приоритетной – наличие непрерывного загрязнения воздуха веществами, опасными для здоровья людей, ставит задачи для осуществления прогнозной оценки загрязнения воздушной среды выбросами промышленных предприятий, автотранспорта и в целом промышленного центра. Проблема оценки влияния выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух начала обсуждаться давно, однако особенно активно ведется в последние три десятилетия из-за стремительно нарастающей угрозы различных видов воздействия их на человека. Основой для объективной оценки состояния и тенденции изменений загрязнения воздушного бассейна, а также разработки возможных мероприятий по обеспечению чистоты атмосферы являются исследования закономерностей распространения атмосферных примесей и особенностей их пространственно-временного распределения. Предложено множество моделей рассеяния загрязняющих веществ. Однако, в силу ряда причин: открытости термодинамической системы и необходимости учета комплекса факторов среды (метеорологических, географических и др.) не найдено пока единого подхода в составлении оценки и прогноза экологического состояния атмосферного воздуха. Поля же концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе, определяемые по известным моделям, не позволяют комплексно оценить степень загрязненности воздушной среды. Поэтому комплексная оценка опасности загрязняющих веществ в атмосфере территориально-производственных комплексов является чрезвычайно важной и актуальной проблемой.
Диссертация выполнена на кафедре безопасности жизнедеятельности ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева» и в Управлении природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Республике Мордовия.
Целью диссертационной работы является прогнозная оценка экологического состояния атмосферного воздуха посредством установления полей опасности, создаваемых территориально-производственными комплексами, а также управление экологической ситуацией на данной территории путем регулирования выбросов приоритетных примесей в атмосферный воздух.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Проведение литературного обзора по проблемам комплексной оценки экологического состояния территории, в том числе по моделям распространения примеси загрязняющих веществ в атмосферном воздухе территориально-производственных комплексов.
2. Получение статистической оценки выбросов промышленных предприятий территориально-производственных комплексов Мордовии; а также метеорологических условий промышленных центров республики.
3. Разработка математической модели системы «Атмосфера– Территориально-производственный комплекс», позволяющей рассчитывать поля опасности и основанной на связи экологических параметров загрязнения с рассеиванием примеси в атмосфере.
4. Обоснование параметров прогнозной оценки экологического состояния атмосферного воздуха территориально-производственного комплекса, разработка критерия опасности воздушной среды, а также пакета прикладных программ по оценке опасности атмосферы территории.
5. Разработка методики прогнозной оценки экологического состояния воздушной среды территориально-производственного комплекса путем определения полей опасности.
6. Проведение оценки опасности воздушной среды территориально-производственных комплексов Мордовии, заключающейся в создании полей опасности приоритетными загрязняющими веществами вблизи подстилающей поверхности.
Объектом исследования является система «Атмосфера – Территориально-производственный комплекс» территории субъекта Российской Федерации как материальной среды (модель территории как совокупности производственной и селитебной зон).
Предметом исследования является прогнозная и ретроспективная оценка загрязнения при различных метеорологических характеристиках территориально-производственного комплекса, а также взаимодействие техногенной и природной сред.
Методы исследования:
- теоретический анализ процессов рассеяния примеси в атмосфере;
- экспериментальное наблюдение за изменением концентраций примесей в атмосферном воздухе;
- статистический анализ экспериментальных данных, а так же данных по выбросам загрязняющих веществ и метеоусловиям;
- математическое моделирование системы «Атмосфера – Террито-риально-производственный комплекс».
Научная новизна работы:
- предложена модель прогнозной оценки экологического состояния территорий путем установления полей опасности;
- разработан критерий прогнозной оценки экологического состо-яния воздушной среды территориально-производственного комплекса, учитывающий соотношение разбавления примеси в атмосфере и факторов ее выведения из рассматриваемой среды;
- предложена методика установления полей опасности атмосферного воздуха, создаваемой территориально-производственными комплексами, на основе разработанного критерия;
- впервые представлены поля опасности на картах-схемах террито-риально-производственных комплексов Мордовии на основе разработанного критерия.
Наиболее существенные научные результаты, полученные лично автором, состоят в:
- разработке программного обеспечения для выбора приоритетных источников выбросов загрязняющих веществ и приоритетных территориально-производственных комплексов региона, а так же программ для расчета критерия опасности атмосферного воздуха ТПК;
- разработке модели «Атмосфера – Территориально-производ-ственный комплекс» и критерия прогнозной оценки экологического состояния воздушной среды территориально-производственного комплекса (критерия опасности), а так же в разработке методики расчета на основе данного критерия;
- установлении полей опасности, создаваемых примесями прио-ритетных территориально-производственных комплексов региона;
- разработке модели управления качеством атмосферного воздуха на основе предложенного критерия опасности.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы обоснована соответствием модельных представлений прогноза опасности атмосферного воздуха системы «Атмосфера – Территориально-производственный комплекс» результатам оценок, основанных на данных служб Гидромета РМ и МПР России по Республике Мордовия, а также на данных лабораторных исследований концентраций загрязняющих веществ и соответствующей статистической оценкой полученных результатов.
Практическая ценность работы заключается в:
- оценке опасности атмосферы ТПК Республики Мордовия в различных погодно-климатических, термодинамических условиях;
- выявлении по критерию опасности атмосферного воздуха тер-риторий с экологическим неблагополучием;
- нанесении зон различного вида нагрузок на территорию рас-пространения примеси от источника или от группы источников;
- разработке управленческих решений по сокращению выбросов загрязняющих веществ территориально-производственных комплексов на примере ОАО «Мордовцемент».
Внедрение результатов исследований осуществляется путем использования результатов работы при разработке планов природоохранных мероприятий в территориально-производственных комплексах Управления природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Республике Мордовия, при проведении учебных занятий по курсу «Экология в отрасли» для студентов ИМЭ ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева» специальностей МПСХП, МСХ и ТОРМ.
Основные положения, выносимые автором на защиту:
- системный подход при проведении оценки экологического состояния территории региона посредством установления полей опасности, создаваемых территориально-производственными комплексами;
- математическая модель прогнозной оценки экологического состояния воздушной среды территориально-производственного комплекса, в том числе критерий опасности атмосферы;
- методика оценки качества воздушной среды в регионе путем установления полей опасности;
- карты-схемы зон экологического состояния территориально-производственных комплексов Мордовии;
- обоснование природоохранных мероприятий по управлению качеством атмосферного воздуха территориально-производственных комплексов на основе критерия опасности атмосферного воздуха (на примере ТПК «Чамзинка-Комсомольский»).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:
- Третьей конференции молодых ученых Мордовского государ-ственного университета им. Н.П. Огарева (22-24 апреля 1998г) г.Саранска;
- Огаревских чтениях ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева» 1998-2001 г. г.Саранска;
- Всероссийской научно-практической конференции с международ-ным участием «Новое в экологии и БЖД» 16-18 июня 1999г. г. Санкт-Петербурга;
- Огаревских чтениях ГОУВПО «Мордовский государственный уни-верситет им. Н.П. Огарева» 2003-2005г. г.Саранска;
- На расширенном заседании кафедры безопасности жизнедеятель-ности ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева» 20 декабря 2006г. г.Саранска.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 работ, в том числе 1 статья в научном журнале из списка рекомендованного ВАК.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, и содержит 193 страницы машинописного текста, 47 таблиц, 15 рисунков, список литературы из 160 наименований и 5 приложений.
Анализ основных загрязняющих атмосферный воздух веществ и классификаций их источников
В зависимости от источника и механизма образования различают первичные и вторичные загрязнители воздуха - химические вещества, попадающие непосредственно в воздух от стационарных или передвижных источников и загрязнители, образующиеся в результате взаимодействия в атмосфере первичных загрязнителей между собой и с присутствующими в воздухе веществами (кислород, озон, аммиак, вода) под действием ультрафиолетового излучения. Часто вторичные загрязнители, например, вещества группы пероксиацетилнитратов (ПАН), гораздо токсичнее первичных загрязнителей воздуха (оксида углерода, диоксида серы, оксида азота, углеводородов, твердых частиц и фотохимических оксидантов). [75]
Оксиды азота образуются преимущественно при высокотемпературном взаимодействии азота и кислорода в силовых установках и двигателях внутреннего сгорания, а также при электрических разрядах в атмосфере и-присутствуют в отработавших газах автомобилей. Из общей массы оксидов азота в атмосфере на долю антропогенных источников приходится свыше 50%. Диоксид серы образуется при сгорании топлива с высоким содержанием серы (каменного угля, нефти). Источниками эмиссии этого токсичного газа являются стационарные источники горения, например, ТЭС (85-95%), промышленные объекты (производство удобрений, серной кислоты, нефтехимических продуктов) (5-10%), двигатели внутреннего сгорания (2-7%). Оксид углерода (II) - опасный и чрезвычайно распространенный из газообразных загрязнителей воздуха, токсичность которого обусловлена реакцией с гемоглобином крови. Образование его происходит при неполном сгорании топлива различных видов.
Содержащиеся в атмосфере твердые частицы представляют собой пыль, песок, золу, сажу, вулканическую пыль и аэрозоли органической (высокомолекулярные соединения) и неорганической природы. Часто токсичность твердых частиц обусловлена адсорбцией на их поверхности таких опасных соединений, как полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) или нитрозоаминов. ПАУ, как первичные так и вторичные загрязнители атмосферы, многие из которых имеют канцерогенное и мутагенное действие, представляют серьезную угрозу для человека. Содержание ПАУ и других канцерогенных веществ, попадающих в атмосферу с выбросами промышленных предприятий, составляет в крупных индустриальных центрах около 80% от общего загрязнения окружающей среды. В среднем, в автомобильном выхлопе содержится около 400 мг/м3 парафиновых, 120 мг/м3 ацетиленовых, 200 мг/м3 ароматических и 300 мг/м3 олефиновых углеводородов. Мышьяк, бериллий, кадмий, свинец, магний и хром высокотоксичные загрязнители, которые обычно представлены в воздухе в виде неорганических солей, адсорбированных на твердых частицах. Около 60 металлов идентифицировано в продуктах сгорания угля. В дымовых газах ТЭС обнаружены ртуть, мышьяк, барий, бериллий, висмут, бром, кадмий, хлор, кобальт, медь, железо, фтор, свинец, марганец, сурьма, молибден, никель, селен, теллур, таллий, олово, титан, уран, ванадий, цинк и цирконий. Металлическая ртуть и свинец, а также их металлорганические соединения очень токсичны. [75]
Скапливаясь в атмосфере, загрязнители взаимодействуют друг с другом, гидролизуются и окисляются под действием влаги и кислорода воздуха, а также изменяют свой состав под воздействием радиации [4, 14, 15, 25, 73, 75, 131].
Продукты этих реакций, а также исходные соединения (первичные загрязнители) взаимодействуют между собой, образуя иногда еще более токсичные и опасные соединения (вторичные загрязнители). Вследствие этого продолжительность пребывания токсичных примесей в атмосфере тесно связана с их химическими свойствами. Для диоксида серы этот период составляет 4 дня, сероводорода - 2, оксида азота - 5, аммиака - 7 дней, а СО и СН4 в силу своей инертности сохраняются неизменными в течение 3 лет [75]. Велика продолжительность пребывания в воздухе малоактивных соединений следующей группы токсичности - постоянных газов (фреоны и диоксид углерода). Из пестицидов, которые обычно распыляются с самолетов, особенно токсичны фосфорорганические пестициды, при фотолизе которых в атмосфере образуются продукты еще более токсичные, чем исходные соединения.
class2 Оценка факторов, обусловливающих генерирование и рассеивание примеси в
воздушной среде class2
Модель оценки опасности атмосферного воздуха территориально-производственного комплекса
Атмосферные процессы развиваются при совместном влиянии естественных и антропогенных факторов различных пространственно-временных масштабов. Поэтому возникает нетривиальный вопрос: как построить математические модели, чтобы одновременно учесть два конкурирующих обстоятельства. С одной стороны, многообразие физических процессов и необходимость учета широкого спектра возмущений требуют, чтобы модели были богатыми по физическому содержанию, а их дискретные аппроксимации обеспечивали высокое пространственно-временное разрешение. И в то же время необходимо, чтобы эти модели можно было эффективно реализовать на вычислительных машинах. [9 8]
Доступный и рациональный метод оценки рассеивания примеси представлен в [126, 131, 140]. Однако, данный метод требует доработок в наложении полей опасностей загрязняющих веществ, распространяющихся непосредственно от источника в целом на территорию ТПК и прилегающую к нему. Причем необходимость использования достигнутых результатов в области распространения примеси в атмосферном воздухе Берляндом М.Е., Матвеевым Л.Т., Безуглой Н.Л., Бызовой Н.Л. и других ученых очевидна: в моделях такого типа должны использоваться параметры, требующие проведения огромного количества замеров в атмосфере для выведения предельных значений данных параметров; а также закономерности изменения данных параметров, устанавливаемые с помощью фундаментальных теоретических исследований и, в конечном итоге, построения как, например, в [159] системы диагностирования экологического состояния атмосферного воздуха.
1. Анализ антропогенных источников выбросов в атмосферный воздух промышленного центра позволил выявить основные примеси и классификации типов источников загрязняющих атмосферный воздух, обоснованные различными авторами, а также показал необходимость рассмотрения системы «Атмосфера - Территориально-производственный комплекс» со всем набором источников и примесей, загрязняющих атмосферный воздух.
2. Для антропогенной характеристики примеси в атмосфере могут использоваться разные параметры и критерии (ее концентрации -среднесуточная и максимально разовая, индекс загрязнения атмосферы, категория опасности города и т.д.), но они не учитывают одновременно технологические и метеорологические факторы.
3. В связи с определением места автотранспорта в ранге источников загрязнения атмосферы промышленного центра необходимо отметить проблематичность в определении состава его выбросов в результате малой изученности. В частности, это положение касается углеводородов.
4. Оценка и управление загрязнением атмосферного воздуха только лишь по концентрации загрязняющего вещества недостаточно на наш взгляд, так как данная характеристика слишком изменчива, и констатировать факт превышения возможно лишь после ее фактического измерения. Поэтому считаем, что необходимы комплексные показатели загрязнения, например, такие, как категория опасности вещества, предприятия [84,130].
В связи с этим, целью работы является прогнозная оценка экологического состояния атмосферного воздуха посредством установления полей опасности, создаваемых территориально-производственными комплексами на карте, а также управление экологической ситуацией на данной территории путем регулирования выбросов приоритетных примесей в атмосферный воздух.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести литературный обзор по проблемам комплексной оценки экологического неблагополучия территории, в том числе по моделям распространения примеси загрязняющих веществ в атмосферном воздухе территориально-производственных комплексов;
- собрать и обработать данные по выбросам промышленных предприятий территориально-производственных комплексов Мордовии; а также по метеорологическим условиям промышленных центров республики; создать математическую модель системы «Атмосфера -Территориально-производственный комплекс», основанную на связи экологических параметров загрязнения атмосферы; отобрать параметры и создать критерий прогнозной оценки экологического состояния атмосферного воздуха территориально-производственного комплекса - критерий опасности воздушной среды, а также разработать пакет прикладных программ по оценке опасности атмосферы территории;
- разработать методику прогнозной оценки экологического состояния воздушной среды территориально-производственного комплекса;
- провести оценку экологического состояния воздушной среды территориально-производственных комплексов Мордовии.
Моделирование объема смеси в условиях атмосферы
При малых скоростях ветра, при устойчивой и особенно при инверсионной стратификации в нижнем слое атмосферы (например, при безоблачной погоде ночью или сильных морозах зимой в течение суток) дым распространяется в виде тонкой струи на значительное расстояние. При большой скорости ветра струя дыма, приобретает извилистый характер, а при сильной термической неустойчивости струя разбивается на отдельные части. В слоях атмосферы, где температура, плотность и скорость меняются с высотой характеристику Рейнольдса необходимо дополнять вертикальный градиент температуры у.[69]
Реальную картину подъема примеси необходимо учитывать, поскольку может возникнуть большое искажение поля примеси, особенно на сравнительно близких расстояниях от источника. Поэтому следует принимать [14] во внимание, что вокруг источника выброса создается поле вертикальных скоростей, затухающих с удалением от него и способствующих подъему примеси вверх. Ясно, что горизонтальный ветер может заставить вытекающую струю изогнуться. Можно предположить [119], что это происходит, если вертикальная составляющая скорости w равна: w=uu, где и - скорость ветра, а ц- числовой множитель, определяемый из наблюдений и примерно равный 1. Считается, что после изгиба струя приобретает скорость, равную скорости ветра, и что ее вертикальное распределение поперечное сечение ведет себя подобно сечению двумерного цилиндрического термика или клуба.
Тепловой подъем осуществляется в полной мере, когда вертикальная составляющая скорости, обусловленная архимедовыми силами [119], уменьшается до значения, имеющего тот же порядок, что и абсолютные величины скоростей внешних вихрей, которые представимы в виде Хи. Число X обычно имеет порядок 10"1 при ветре над не очень шероховатой поверхностью, и при безразличной стратификации воздушной массы. При застройке городской, или при активной термической конвекции X много больше 0,1: в случае термической конвекции X может достигать 0,4 или даже 1,0 - при сочетании сильной конвекции и слабого ветра. При высоких трубах над очень гладкой поверхностью или когда нижние слои очень стратифицированы, как часто бывает ясным вечером: А,=0,001.
Если принять по Скореру [119], что при наклоне струи в 11-12 над подстилающей поверхностью ее движение считается горизонтальным, то можно выделить граничные условия режимов течения смеси в воздушной среде: 1) струя становится изогнутой выше точки на осредненной траектории, в которой угловой коэффициент касательной находится в пределах от 2,92 до 0,17; 2) пока угловой коэффициент касательной больше 2,92, струя распространяется практически вертикально; 3) при значении углового коэффициента меньше 0,17 струя становится пассивной.
В случае турбулентного режима течения скорость ветра, температура испытывают быстроменяющиеся во времени колебания, хотя есть и некоторая средняя величина, например средняя скорость ветра или средняя скорость переноса примеси. Т.о. ее мгновенное значение представимо в виде суммы средней скорости движении, определенная путем усреднения за некоторый промежуток времени или по некоторому достаточно большому объему воздуха, и пульсации этой величины.
В случае же ламинарного режима пульсационная характеристика приближается к нулю. В реальной атмосфере он практически не существует, но им мы можем аппроксимировать движение гетерогенной системы «Атмосфера-примесь-пар» как однородной, варьируя скалярными значениями поля скоростей примеси вблизи подстилающей поверхности и в реальном объеме. Принимая во внимание «один из основных постулатов турбулентного обмена» об одинаковости смещения турбулентных молей при смещении вниз и вверх, добавим, относительно усредненной линии поля скоростей примеси, уже можно описать как физический так и геометрический смысл реального объема примеси.
Моделирование распространения примеси от источника предусматривает модульную структуру: Блок 1. Внешние исходные параметры системы (температура воздуха; скорость переноса среды (скорость ветра, штиль: а) термическая конвекция; б) молекулярная диффузия; в) инверсия); направление ветра; высота приземного слоя). Блок 2. Внутренние исходные параметры (скорость выхода примеси; температура примеси (перегретая или холодная), высота источника, тип источника (точечный, линейный, площадный)), нормативные значения (ПДК среднесуточные). Блок 3. Расчет категории опасности вещества, города, автотранспорта. Блок 4. Расчет объема разбавленного до нормы.
