Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Теоретические основы разработки эколого-технических элементов управления качеством атмосферного воздуха , 9
1.1 Сводные расчеты как основа системы управления качеством атмосферного воздуха 9
1.2 Основы гигиенического нормирования 14
1.3 Концепция риска 26
1.4 Актуальность проблемы оценки качества атмосферного воздуха 31
1.5 Существующие подходы к оценке качества атмосферного воздуха на основе анализа ПДКм.р 32
Выводы... 36
Глава 2 Формирование и разработка эколого-технических элементов управления качеством атмосферного воздуха 37
2.1 Методика сравнительной оценки степени загрязнения атмосферного воздуха различных районов города на основе оценки риска рефлекторных реакций 37
2.2 Зависимость между вероятностью эффекта, уровнем загрязнения атмосферы и плотностью населения , 40
2.3 Эколого-математическая модель распределения инвестиций в мероприятия по охране атмосферного воздуха 42
Выводы 46
Глава 3 Практическая реализация элементов управления качеством атмосферы 47
3.1 Сводные расчеты загрязнения атмосферы г. Самары 47
3.1.1 Выполнение сводных расчетов 47
3.1.2 Пример использования сводных расчетов для анализа изменения состояния атмосферы 64
3.2 Апробирование методики оценки качества атмосферного воздуха на основе сводных расчетов г. Самары 74
3.2.1 Подготовка исходной информации. Выделение территориальных зон анализа 74
3.2.2 Определение средневзвешенной вероятности РэП возникновения рефлекторных реакций 77
3.2.3 Определение суммарной вероятности Рэ 78
3.2.4 Сравнительный анализ традиционного подхода и предлагаемого для оценки качества атмосферы 84
3.3 Применение функции вероятности эффекта от уровня загрязнения и плотности населения для определения числа жителей с возникающими рефлекторными реакциями , 87
3.4 Апробирование экол о го-математической оптимизационной модели распределения инвестиций в воздухоохранные мероприятия 89
3.4.1 Подготовка исходной информации 89
3.4.2 Численное решение 89
3.4.3 Анализ численных результатов и их применение 90
Выводы 92
Глава 4 Управление качеством атмосферного воздуха в рамках концепции управления риском 93
4.1 Процедура принятия решений 93
4.2 Роль системы управления качеством атмосферного воздуха в процедуре управления риском 95
4.3 Административно-правовая база и механизм экономического регулирования уровня риска (на примере г. Самара) 97
Выводы 101
- Сводные расчеты как основа системы управления качеством атмосферного воздуха
- Методика сравнительной оценки степени загрязнения атмосферного воздуха различных районов города на основе оценки риска рефлекторных реакций
- Пример использования сводных расчетов для анализа изменения состояния атмосферы
Введение к работе
Среди множества аспектов, определяющих состояние окружающей среды, особое место занимают проблемы охраны атмосферного воздуха. Практическое и научное значение этих проблем определяется тем, что атмосферный воздух, являясь с одной стороны источником жизни человека, растительного и животного мира, с другой стороны служит основой для всех технологических процессов, связанных с получением энергии, материалов, переработкой продуктов и сырья. С одной стороны - основой естественного круговорота веществ, с другой стороны - средой, в которую сбрасываются отходы технологических процессов производства, продуктов сгорания топлива и жизнедеятельности.
Загрязнение атмосферного воздуха (3) выбросами вредных веществ от различных источников, расположенных на какой-либо территории, обусловлено, как интенсивностью производственной деятельности (И), так и той мерой ответственности за загрязнение (М), которую в состоянии принять на себя население данной территории. Таким образом, загрязнение 3 есть многофакторная функция 3 = ff X ), где X - совокупность влияющих факторов. Причем главными из них являются интенсивность производственной деятельности И и мера ответственности М.
То есть, 3=f ( И, М ).
Причем при lim 3 -* оо , что ведет к экологической катастрофе.
А при Нт 3 -> 0, что ведет к экономической катастрофе.
То есть бесконечное усиление И или М непременно приведет к негативному результату. Поэтому на современном этапе в индустриально развитых странах оптимальным сочетанием размера атмосферного загрязнения и степени защиты от него является система управления качеством атмосферного воздуха, основанная на учете экологических и экономических приоритетов.
Сложившаяся в течение последних лет напряженная экологическая ситуация во многих крупных городах представляет собой серьезную угрозу для состояния здоровья населения. Анализ этой ситуации, как в Самарской области, так и в других проблемных территориях России, свидетельствует, что существует ряд трудностей на пути улучшения качества окружающей среды и создания оптимальных условий проживания людей. В первую очередь, вследствие недостаточной обоснованности природоохранных мероприятий, разрабатываемых без четких количественных критериев потенциального и реального ущерба для здоровья. Отсутствует обязательная оценка действительного вклада того или иного источника загрязнения в ухудшение состояния здоровья населения. Отсутствует сравнительная гигиеническая оценка различных участков. Отсутствует порядок определения первоочередности природоохранных мероприятий в рамках ограниченного финансирования. В результате, эффективность затрачиваемых на снижение загрязнения средств низка.
Таким образом, актуальна задача определения приоритетов в действиях, направленных на улучшение экологической обстановки. Только научное определение приоритетов с учетом критерия сохранения здоровья человека позволит правильно распределять и направлять имеющиеся финансовые средства на природоохранные мероприятия.
Целью исследования является разработка эколого-технических элементов управления качеством атмосферного воздуха городов на основании сводных расчетов загрязнения и концепции риска.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Выполнение сводных расчетов загрязнения атмосферного воздуха крупного промышленного центра (г. Самара);
Оценка состояния воздушной среды с использованием понятия риска.
Выявление зависимости между составом, уровнем концентраций загрязняющих веществ, плотностью населения и возникновением риска рефлекторных реакций.
Разработка эколого-технических критериев обоснования инвестиций в мероприятия по охране атмосферного воздуха.
Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили работы отечественных и зарубежных ученных по проблемам разработки современных систем управления качеством окружающей среды: Андрещеевой Н.Г., Авалиани С.Л., Меньшикова В.В., Буренина Н.С, Быкова А.А,, Вернадского В.И., Гаврилова А.С., Киселева А.В., Фридмана КБ., Новикова СМ., Пинигина М.А., Протасова В.Ф., Сидоренко Г.И., Рагозина А.Л., Реймерса Н.Ф., Ренна О., Найта Ф., Люхманна Н.
Кроме того, в процессе работы изучались законодательные акты, инструктивно-методические документы всех уровней.
Решение поставленных в работе задач осуществляется на основе системного комплексного подхода с использованием вероятностных математических методов, системного моделирования и др.
Эмпирической базой исследования являются материалы, полученные автором в ходе проведения сводных расчетов загрязнения атмосферного воздуха г. Самары стационарными и передвижными источниками в 2000-2002г.
Информационную основу исследования составляют аналитические материалы, предоставленные ГУПР Самарской области, Региональным Волжским Отделением МАНЭБ и др.
Диссертационное исследование является итогом работ, проведенных автором в 2000-2004 гг. На основании предложенных подходов возможно провести комплексную оценку влияния промышленных объектов на
экосистему города, обосновать принятие решений, обеспечивающих минимизацию антропогенного воздействия.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
Предложен метод анализа состояния воздушной среды на основе оценки риска рефлекторных реакций.
Предложена комплексная система прогнозирования возникновения риска рефлекторных реакций на основе анализа состава и уровня концентраций загрязняющих веществ и плотности населения.
Создана эколого-математическая модель для принятия управленческих решений при ограниченном финансировании атмосфероохранных мероприятий.
Определен комплекс связей гигиенических, социальных и экономических критериев принятия оптимальных решений по улучшению состояния качества атмосферы.
Практическая значимость работы
Использование для анализа результатов сводных расчетов загрязнения городов методики сравнительной оценки загрязнения атмосферного воздуха различных районов города позволяет выполнить сравнительную гигиеническую оценку загрязнения атмосферного воздуха на различных участках, определить вклад каждого загрязняющего вещества в формирование неблагополучной гигиенической ситуации.
На основании зависимости эффекта от уровня загрязнения и плотности населения возможно выделить районы города, требующие первоочередного проведения атмосфероохранных мероприятий.
Применение эколого-математической модели для принятия управленческих решений при ограниченном финансировании атмосфероохранных мероприятий позволяет провести оптимальное распределение инвестиций по районам города.
Все предлагаемые модели апробированы на базе сводных расчетов г. Самара. Получены конкретные результаты.
Использование предложенных подходов позволяет проводить корректировки генеральных планов городов на основании наименьшего ущерба для здоровья населения.
На защиту выносятся:
- Метод анализа состояния воздушной среды на основе оценки риска
рефлекторных реакций.
Комплексная система прогнозирования возникновения риска рефлекторных реакций на основе анализа состава и уровня концентраций загрязняющих веществ и плотности населения
Эколого-математическая оптимизационная модель распределения инвестиций в мероприятия по охране атмосферного воздуха городов.
Апробация работы.
Основные результаты исследования доложены на 58-ой НТК по итогам НИР СамГАСА, г. Самара, 2001г., на 3-еЙ НПК (международной) «Безопасность транспортных систем», г. Самара, 2002 г., на 1-ой международной НТК «Экология и безопасность транспортных систем», г. Тольятти, 2003 г.
Часть материалов вошла в учебник «Охрана воздушного бассейна для специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция».
Структура диссертации: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы (97 наименования), приложений.
Объем диссертации составляет 145 страниц, включая 21 рисунок, 14 таблиц, 4 приложения.
%
Сводные расчеты как основа системы управления качеством атмосферного воздуха
Для эффективного решения проблемы обеспечения чистоты воздушного бассейна необходим комплексный подход, предусматривающий проведение сводных расчетов загрязнения воздушного бассейна выбросами промышленности и автотранспорта, разработку и создание системы контроля и управления качеством воздушного бассейна[5,6,64,70-71].
Сводные расчеты загрязнения атмосферного воздуха выбросами промышленных предприятий и автотранспорта города (региона) - это расчеты, в которых, для получения оценок показателей качества атмосферного воздуха, используется информация о выбросах всех источников загрязнения атмосферы (ИЗА), расположенных на территории рассматриваемого города (региона) [38].
Сводные расчеты загрязнения атмосферы могут быть использованы при решении целого ряда задач, связанных с охраной атмосферного воздуха [60-62]. К таким задачам, в частности, относятся:
- диагноз состояния загрязнения воздушного бассейна города (региона) и его отдельных районов в определенные периоды времени;
- расчетный мониторинг загрязнения атмосферы города;
- оценка степени влияния выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) отдельными предприятиями на загрязнение атмосферы города и его районов, выявление предприятий, вносящих наибольший вклад в загрязнение приземного слоя воздуха;
- нормирование параметров выбросов ИЗА;
- прогноз изменения состояния атмосферы города под влиянием изменений выбросов ЗВ в результате ввода в действие новых хозяйственных объектов, реконструкции действующих, изменения схемы транспортных потоков и т.п.;
- прогноз изменения состояния атмосферы при проведении воздухо-охранных мероприятий.
При проведении сводных расчетов загрязнения атмосферы в рамках решения указанных задач следует учитывать принципиальное отличие целей расчетов, используемых при решении так называемых диагностических задач и при решении задач нормировании выбросов ИЗА [46].
При решении диагностических задач целью является получение реальных (или прогнозных) значений характеристик загрязнения атмосферы, соответствующих реальным (проектным) значениям характеристик ИЗА.
При решении задач нормирования сводные расчеты используются при определении предельно допустимых с точки зрения экологии значений характеристик ИЗА.
Наиболее оптимальной формой проведения сводных расчетов при решении задач диагностического характера является реализация их в рамках функционирования системы расчетного мониторинга качества атмосферы города.
Мониторингом принято называть регулярные, выполняемые по заданной программе наблюдения состояния выбранного объекта (в данном случае - атмосферного воздуха).
Расчетным мониторингом (РМ) целесообразно называть регулярные работы по определению пространственно временных характеристик загрязнения атмосферы на основе расчетов по математическим моделям переноса и диффузии атмосферных примесей с использованием данных инвентаризации параметров выбросов, а также климатических и метеорологических характеристик.
Следует отметить, что расчетный мониторинг (РМ) не заменяет, а существенно дополняет данные экспериментального мониторинга (ЭМ), осуществляемого как в рамках Росгидромета, так и ведомственного [72]. В первую очередь, это касается специфических веществ, по которым отсутствуют экспериментальные наблюдения, либо наблюдения не регулярны или недавно начаты, в связи с чем базирующиеся на них данные статистически не достоверны. К тому же, при ЭМ, особенно ведомственном, используются приборы и методики измерения концентраций, не получившие необходимого метрологического подтверждения. Экспериментальным мониторингом в РФ определяется 50 ЗВ, 2/3 отобранных проб приходится на основные загрязняющие вещества и лишь 1/3 - на специфические.
К примеру, в Самаре гидрометслужбой на 10 стационарных постах ведутся наблюдения концентраций 15 загрязняющих веществ, в расчетном же мониторинге участвуют более 270 загрязняющих веществ, причем концентрации определяются в любой точке городской черты.
Даже при наличии данных экспериментального мониторинга целесообразно проведение расчетного мониторинга, поскольку при функционировании в крупных городах 5-10 постов наблюдения за загрязнением атмосферы (ПНЗА), ЭМ не дает полной картины пространственно- временного распределения загрязнения атмосферно воздуха. К тому же, в последнее время наблюдается сокращение стационарных постов наблюдения. Помимо этого, по данным инструментальных замеров не всегда можно выделить отдельные вредные вещества из общей пробы со сходными химическими характеристиками. При расчетном мониторинге наблюдения можно вести по любому веществу, присутствующему в выбросах и имеющему ПДК.
Основными задачами системы расчетного мониторинга качества атмосферного воздуха являются:
- получение достоверной картины загрязнения атмосферы по всему спектру загрязняющих веществ на рассматриваемой территории, в любой ее точке, на любую дату (ретроспектива, перспектива, диагноз состояния на существующее положение);
- выявление зон с превышением ПДК;
- определение вклада предприятия или объекта в уровень загрязнения;
- классификация предприятий с точки зрения значимости выбрасываемых загрязняющих веществ;
- определение зон влияния предприятий;
- подтверждение достаточности мер по снижению выбросов и их эффективности как в локальном масштабе (т.е. в зоне влияния предприятия), так и по всей рассматриваемой территории;
- картирование результатов расчетного мониторинга;
- прогнозирование аварийных ситуаций и их последствий;
- повышение степени эффективности природоохранных мероприятий;
- рациональное использование финансовых средств, предотвращение экологического ущерба.
Результаты диагностических расчетов могут быть использованы при подготовке различных управляющих решений, связанных с учетом реальной экологической ситуации в городе или с оперативным воздействием на нее, например, при:
- обосновании распределения средств и других ресурсов на улучшение экологической обстановки в городе;
- оптимизации перераспределения транспортных потоков, разработке схем регулирования транспортных потоков;
- оценке качества атмосферного воздуха отдельных территорий, и т.д.
Поскольку на основании результатов сводных расчетов принимаются природоохранные решения, затрагивающие интересы различных субъектов права (как физических, так и юридических лиц), методы, используемые при проведении расчетов, должны быть арбитражно защищены.
В наибольшей степени такой арбитражной защищенностью обладают методы, утвержденные как нормативные. В настоящее время в РФ имеется только одна нормативная методика расчета загрязнения атмосферы по данным о выбросах ЗВ в атмосферу - это ОНД-86 [43].
Для обеспечения сводных расчетов применяется программный комплекс «Эколог-город», удовлетворяющий требованиям данной работы, как по объему исходной информации, так и по интерпретации и анализу результатов расчетов. Программа «Эколог-город» реализует положения «Методики расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОНД-86)» Госкомгидромета.
Программа позволяет по данным об источниках выбросов примесей и условиях местности рассчитывать разовые (осредненные за 20-30 минутный интервал) концентрации примесей в приземном слое атмосферы при неблагоприятных метеорологических условиях.
Методика сравнительной оценки степени загрязнения атмосферного воздуха различных районов города на основе оценки риска рефлекторных реакций
Предлагаемая ниже методика основывается на положениях А.В.Киселева и К.Б.Фридмана [28]. Определяется вероятность (риск) возникновения рефлекторных реакций у населения в зависимости от величины превышения ПДКм.р.
Но в качестве исходных данных для построения зависимостей, по которым можно оценивать вероятность возникновения рефлекторных реакций, используются следующие условия:
- в качестве начальной точки в уравнении зависимости "концентрация-эффект" принято значение концентрации ЕСіб, полученное экспериментальным путем,
- в качестве концентрации, соответствующей нулевому эффекту действия, принято значение, соответствующее 0,8 ПДКм.р.
В этом случае уравнение зависимости "концентрация - эффект" (3) для определения Рэ запишется в виде [19]:
К - кратность превышения измеренного (рассчитанного) значения максимальной разовой концентрации над ее предельно допустимым значением.
Проблема заключается в том, что величины а и К3 не всегда могут быть доступны при проведении расчетов. В этом случае возможна относительная оценка степени загрязнения атмосферного воздуха веществами различных классов опасности.
Для этого случая НИИ Атмосфера [19] получены зависимости "концентрация - эффект" внутри каждого класса веществ таким образом, чтобы предельная абсолютная погрешность разности эффектов сравниваемых веществ различных классов опасности была минимальна (отметим, что прямая, соответствующая средним значениям угла а и Кэ внутри каждого класса не является таковой). На основе полученных зависимостей построены графики (рисунок 4), с помощью которых можно проводить сравнительную оценку вероятности возникновения рефлекторных реакций в зависимости от класса вещества по рефлекторному действию и кратности превышения предельно допустимых значений разовых концентраций.
Сравнительную гигиеническую оценку загрязнения атмосферного воздуха на различных участках городской территории (в расчетных точках) по максимальным разовым концентрациям при загрязнении і-м веществом целесообразно проводить по средневзвешенной вероятности (Рэп;) возникновения рефлекторных реакций, которая определяется по формуле
L - количество сочетаний направлений и скоростей ветра, при которых рассчитываются максимальные значения концентраций.
P3ij - вероятность возникновения рефлекторных реакций в расчетной точке от загрязнения атмосферного воздуха і-м веществом при j-м условии.
При наличии в атмосферном воздухе населенного пункта нескольких загрязняющих веществ вычисляется суммарная вероятность (РэО) возникновения рефлекторных реакций по формуле Рэт=\-1\(\-Рэщ)
(»)
где п - количество загрязняющих веществ, одновременно присутствующих в атмосферном воздухе; РэП1 - средневзвешенная вероятность возникновения рефлекторных реакций от І-го загрязняющего вещества.
Для групп суммации значение Рэ вычисляется после приведения концентраций входящих в нее веществ к одному из суммирующихся веществ в соответствии с рекомендациями [31,43].
Результаты расчетов по формулам (10) и (11) позволяют провести ранжирование участков городской территории по степени напряженности гигиенической ситуации (по показателю Рэ ).
Составив убывающий ряд значений величины РзПі в данной точке (на данном участке), можно определить загрязняющие вещества, которые в наибольшей степени оказывают влияние на гигиеническую ситуацию.
Данный этап исследования базируется на использовании эколого-гигиенического критерия.
Пример использования сводных расчетов для анализа изменения состояния атмосферы
Одно из возможных направлений использования сводных расчетов при диагностике - это анализ прогнозного перераспределения транспортных потоков, разработка схем регулирования транспортных потоков.
Негативные последствия функционирования транспорта обусловливают необходимость усиления работы по охране окружающей среды и природопользованию, как со стороны государства, так и общественности в аспекте широкомасштабной политики экологической безопасности.
Политика экологической безопасности реализуется путем проведения комплекса природоохранных мер, направленных на повышение экологических характеристик подвижного состава и инфраструктуры транспорта.
Для оценки воздействия на окружающую среду автотранспортных магистралей с целью разработки природоохранных мероприятий необходим анализ уровней загрязнения атмосферного воздуха в результате выбросов автотранспорта. При этом необходимо учитывать следующие специфические особенности автотранспорта как источника загрязнения атмосферы:
- абсолютный рост парка автомобилей, в связи с чем увеличивается интенсивность движения на автодорогах и повышается выброс вредных веществ в атмосферу;
- быстротечность процессов в автомобильных двигателях, обусловливающая многообразие продуктов полного и неполного сгорания топлива;
- выброс вредных веществ в атмосферу на уровне органов дыхания человека.
Автомобильные выбросы содержат множество различных химических соединений - продуктов полного и неполного сгорания топлива. Оценка загрязнения атмосферы автотранспортом, включает в себя расчет выбросов загрязняющих веществ автотранспортом, расчет рассеивания этих примесей в атмосфере, определение зон загрязнения выше нормативных требований.
В данном разделе приведены результаты прогноза изменений состояния атмосферного воздуха при реализации проекта строительства магистрали непрерывного движения по проспекту Карла-Маркса[66,67].
Строительство магистрали непрерывного движения по проспекту «Карла-Маркса» производится в сложившейся структуре транспортной схемы г. Самары (рисунок 10). Ввод в действие новой трассы продольного
Рисунок 1&- Транспортная схема г. Самары направления окажет существенное влияние на перераспределение транспортных потоков в центральной части города.
Территория города Самары соединяется с внешними территориями через систему «въездов-выездов», местоположение которых определяется расположением основных магистралей на территории города. Въезды-выезды привязаны к улицам Ново-Садовой, Авроры, Московскому и Зубчаниновскому шоссе. Наиболее интенсивно используется Московское шоссе и улица Авроры. Нагрузка на них, особенно на Московском шоссе так велика, что в часы пик, особенно в летние месяцы проезд по ним затруднен. Проведенные исследования показали, что та часть коммуникационно-транспортного каркаса, которая попадает в городскую черту Самары, с возрастающими автомобильными потоками не справляется. Улицы города Самары в буквальном смысле «забиты» автотранспортом, а возникающие практически на всех основных пересечениях магистралей города «пробки» стали привычным атрибутом движения. Магистраль непрерывного движения, проходящая по проспекту Карла Маркса, соединив площадь Урицкого и Ракитовское шоссе, обеспечит связь между основными городскими районами и оптимальный выезд из города.
Учитывая непрерывность движения по магистрали, с вводом ее в действие, следует ожидать улучшения состояния атмосферного воздуха, что связано с отсутствием перекрестков на магистрали.
Проведенные социологические обследования предоставили информацию для прогнозной оценки перераспределения транспортных потоков на существующих магистралях города, их изменения в процентном соотношении для вариантов расчета с вводом в эксплуатацию автомагистрали «Центральная» (1-й год эксплуатации и 20-й год эксплуатации). Прогнозные варианты изменения транспортных потоков в центральной части г. Самары (приложение Б) выполнялись с использованием программы «ЕММЕ-2», разработчиком которой является канадская фирма NRO.
В качестве данных по интенсивности потока собственно по магистрали «Центральная» на 1-й год эксплуатации и на 20-й год эксплуатации использовались результаты прогнозных расчетов, исходя из прироста автотранспорта в размере 4% в год.
Расчет параметров выбросов от автомагистралей города проведен с использованием методики [37] для трех вариантов: на существующее положение, на 1-й год эксплуатации автомагистрали «Центральная» и на 20-й год эксплуатации магистрали.
В таблицах методики [37] значения пробеговых и удельных выбросов загрязняющих химических веществ, выделяемых двигателями автомобилей, находящихся в условиях реальной эксплуатации, отражают уровень их технического состояния, соответствующий сведениям о наличии и технического состояния автотранспортных средств на начало 1999 года.
При выполнении перспективных оценок загрязнения атмосферы городов выбросами автомобильного транспорта необходимо учитывать вероятность обновления парка автотранспортных средств. Международное сотрудничество в области транспорта в рамках ООН включает выполнение требований комитета по экологической политике Европейской Экономической Комиссии (ЕЭК ООН). Россия стала участником соглашения ЕЭК ООН с 1987 года и обязана соблюдать правила ЕЭК ООН, которые постоянно пересматриваются и дополняются в соответствии с изменяющимися условиями эксплуатации. Требования по токсичности отработавших газов изложены в Правиле № 49 ЕЭК ООН и последующих поправках к нему. Требования предусматривают ограничение выбросов основных токсичных компонентов, присутствующих в отработавших газах карбюраторных и дизельных двигателей.
