Геоэкологическая оценка влияния аэротехногенных выбросов на состояние воздушного бассейна и территории города Белгорода Боровлев Андерей Эдуардович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Геоэкологические основы регулирования качества атмосферного воздуха урбанизированных территорий 14

1.1 Промышленно развитый город как объект геоэкологического исследования 14

1.2 Нормирование качества атмосферного воздуха 20

1.3 Контроль качества атмосферного воздуха 29

1.4 Использование экологической ГИС в качестве информационно аналитического ресурса для регулирования качества атмосферного воздуха урбанизированных территорий 34

ГЛАВА 2. Геоэкологическая характеристика факторов, формирующих поля аэротехногенного загрязнения города белгорода 40

2.1 Природный фон и городские ландшафты 41

2.2 Функциональное зонирование территории промышленного города 47

2.3 Источники аэротехногенного загрязнения воздушного бассейна 55

ГЛАВА 3. Совершенствование подходов к геоэкологической оценке влияния аэротехногенных выбросов на состояние воздушного бассейна и территории промышленно развитого города 63

3.1 Экологическая оценка качества воздушного бассейна города белгорода по данным Государственной службы наблюдений за состоянием окружающей среды 63

3.2 Определение регионального перечня приоритетных загрязняющих веществ и вкладов источников аэротехногенных выбросов в загрязнение атмосферы города Белгорода 74

3.3 Оценка пространственного распределения взвешенных частиц с учетом их дисперсности в атмосферном воздухе города Белгорода 85

3.4 Использование аппаратно-программного лидарного комплекса для мониторинга атмосферного воздуха урбанизированной территории и контроля выбросов твердых загрязняющих веществ 95

3.5 Интегральная оценка устойчивости почв к аэротехногенному воздействию в пределах функциональных зон города Белгорода 104

ГЛАВА 4. Регулирование качества воздушного бассейна промышленно развитого города на основе результатов геоэкологических исследований 119

4.1 Геоинформационная аналитическая система урбоэкологического назначения как информационный и аналитический ресурс для поддержки принятия решений по регулированию качества воздушного бассейна промышленно развитого города 119

4.2 Рекомендации по улучшению геоэкологической ситуации на территории города Белгорода 129

Выводы и предложения 134

Список использованных источников

• Нормирование качества атмосферного воздуха
• Функциональное зонирование территории промышленного города
• Определение регионального перечня приоритетных загрязняющих веществ и вкладов источников аэротехногенных выбросов в загрязнение атмосферы города Белгорода
• Рекомендации по улучшению геоэкологической ситуации на территории города Белгорода

Введение к работе

Актуальность темы исследования.

Рост числа и размеров городов происходит на фоне таких социальных трендов, как увеличение доли городского населения и затрат на охрану окружающей среды, а также социального тренда, связанного с ростом заболеваемости и смертности от загрязнения воздуха. В последние годы значительно интенсифицировался поиск оптимальных решений обеспечения экологической безопасности воздушного бассейна урбанизированной территории на основе исследований по выявлению приоритетных загрязняющих веществ (ЗВ) и созданию региональных систем мониторинга качества атмосферного воздуха. Теоретические подходы к изучению данной проблемы обоснованы во многих трудах отечественных и зарубежных ученых по урбоэкологии и мониторингу окружающей среды (Берлянд, 1985; Тетиор, 2008; Разяпов, 2011; Brauer, 2012 и др.).

Одними из основных источников информации об аэротехногенном воздействии на состояние воздушного бассейна урбанизированной территории являются проекты нормативов предельно допустимых выбросов (ПДВ) для предприятий. Эти проекты разрабатываются с учетом фоновых концентраций ЗВ, определяемых по данным мониторинга атмосферного воздуха. Однако во многих крупных промышленно развитых городах России контроль загрязнения атмосферы проводится по ограниченному перечню ЗВ методом «ручного отбора» и не обеспечивает территориальный охват в разрезе функциональных зон урбоэкосистем. Поэтому проекты нормативов ПДВ для предприятий разрабатываются без учета фонового загрязнения по широкому спектру приоритетных ЗВ. В то же время современные геоинформационные системы (ГИС) позволяют интегрировать информацию по всем источникам аэротехногенного загрязнения и с использованием расчетных моделей получить пространственную картину распределения приоритетных ЗВ в атмосферном воздухе, а также выполнить аналитические процедуры и на основе геоэкологической оценки разработать более «жесткие» нормативы ПДВ для предприятий по сравнению с практикой разработки нормативов выбросов для отдельного предприятия. Таким образом, актуальной научной задачей является разработка аналитической ГИС как информационного и аналитического ресурса поддержки принятия решений по регулированию качества воздушного бассейна промышленно развитого города.

Указанные проблемы актуальны и для г. Белгорода – крупного промышленного города Центрального Черноземья, который имеет многочисленные источники аэротехногенного загрязнения, разветвленную промышленно-транспортную структуру, сложную архитектурно-планировочную организацию городской застройки, и, как следствие этого, – условия для формирования зон с повышенным уровнем ЗВ и появления экологически обусловленных заболеваний населения. Белгород типичен для урбанизированных центров Европейской части страны, что позволяет на примере его геоэкологической ситуации разработать аналитическую ГИС для поддержки принятия решений по регулированию качества воздушного бассейна территории промышленно развитого города.

Объектом исследования является геосистема и геоэкологическое состояние окружающей среды города Белгорода.

Предмет исследования: анализ полей аэротехногенного загрязнения городской

среды на основе ГИС-технологий.

Цель исследования: геоэкологическая оценка влияния аэротехногенных выбросов на состояние воздушного бассейна и территории г. Белгорода, а также разработка рекомендаций по снижению техногенной нагрузки на компоненты окружающей среды города.

Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие задачи:

1. Создать полнофункциональную базу данных источников выбросов ЗВ в
атмосферный воздух г. Белгорода.

2. Выполнить оценку загрязнения воздушного бассейна выбросами предприятий и
автотранспорта.

1. Выявить особенности аэротехногенной нагрузки на атмосферный воздух и почвенный покров г. Белгорода.

2. Разработать рекомендации по совершенствованию системы экологического контроля промышленных выбросов ЗВ в атмосферу и предложения по установлению нормативов ПДВ для г. Белгорода.

3. Разработать функциональные блоки, структуру базы данных и систему управления ими в составе геоинформационной аналитической системы урбоэкологического назначения для поддержки принятия решений по регулированию качества воздушного бассейна г. Белгорода.

Теоретико-методологическую основу диссертационного исследования составили методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОНД-86), экспериментальные данные по контролю аэрозольных выбросов, а также методические подходы к нормированию аэротехногенных выбросов на основе сводных расчетов загрязнения атмосферы городов (разработан АО «НИИ Атмосфера») и к оценке устойчивости почв к аэротехногенному воздействию (рассмотрен в работах В.Н. Башкина, М.А. Глазовской, М.И. Герасимовой, А.С. Курбатовой, А.П. Сизова, J. Breuste и др.).

Материалы исследования. Основу работы составили полученные автором результаты сводных расчетов загрязнения атмосферного воздуха территории г. Белгорода выбросами промышленности и автотранспорта на основе универсальной программы расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА) «Эколог», измерений содержания взвешенных частиц в приземном слое атмосферы анализатором Dust Trak 8520 и в факеле промышленного выброса – многоволновым лидаром МВЛ-60. В исследовании применяли следующие методы: дистанционного зондирования атмосферы, картографический, математико-статистический, методы математического моделирования и системно-функционального анализа. Особое внимание уделено внедрению ГИС-технологий в предметной области научного исследования. Анализ пространственного распределения ЗВ в атмосферном воздухе и территории города выполнен в ГИС методами оверлея, интерполяции и пространственной статистики.

Достоверность и обоснованность результатов исследований, научных положений и выводов обеспечивается значительным объемом обработанного фактического материала натурных исследований и проектов нормативов ПДВ предприятий Белгорода; подтверждается данными экспериментальных исследований, полученных при использовании современного оборудования и средств измерений,

актуальных картографических материалов, сертифицированного программного обеспечения для расчета загрязнения атмосферы, а также согласованностью с результатами, полученными другими авторами.

Научная новизна работы определяется тем, что впервые на основе базы данных источников аэротехногенного загрязнения и расчетов загрязнения атмосферы г. Белгорода выбросами промышленности и автотранспорта установлен приоритетный перечень в количестве 23 ЗВ для экологического контроля; разработана методика оценки загрязнения воздушного бассейна и подстилающей поверхности промышленно развитого города выбросами твердых ЗВ с учетом состава и нормируемых размеров взвешенных частиц на основе расчетных методов и ГИС-анализа; установлено преобладающее долевое участие выбросов взвешенных частиц с аэродинамическим диаметром менее 10 мкм (РМ10) и менее 2,5 мкм (РМ2,5) от 7-ми высоких источников производств строительных материалов (18,6-43,1%) из 1378 стационарных источников выбросов твердых ЗВ в загрязнение атмосферного воздуха жилой зоны г. Белгорода; показана возможность использования лидарных измерений для оперативного контроля выбросов взвешенных частиц РМ10 и РМ2,5 с получением представлений о трехмерном распространении ЗВ; разработана геоинформационная аналитическая система урбоэкологического назначения для поддержки принятия решений по регулированию качества воздушного бассейна промышленно развитого города на основе применения авторской методики оценки загрязнения приземного слоя атмосферы и подстилающей поверхности с учетом состава и нормируемых размеров взвешенных частиц.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экологическая оценка качества воздушного бассейна промышленно развитого города, определение перечня приоритетных загрязняющих веществ и вкладов источников аэротехногенных выбросов в загрязнение атмосферы (на примере города Белгорода).

2. Алгоритм и программные решения оценки загрязнения воздушного бассейна промышленно развитого города взвешенными частицами РМ10 и РМ2,5 с использованием дистанционных методов контроля выбросов твердых загрязняющих веществ в атмосферный воздух.

3. Интегральная оценка устойчивости почв к аэротехногенному воздействию в разрезе функционального зонирования промышленно развитого города.

4. Геоинформационная аналитическая система урбоэкологического назначения, включающая функциональные блоки, базы данных и систему управления ими, как информационный и аналитический ресурс для поддержки принятия решений по регулированию качества воздушного бассейна промышленно развитого города.

Практическая значимость результатов исследования определяется тем, что они рекомендованы для использования в работе предприятий, природоохранных служб и органов муниципального управления при планировании и разработке экологических программ и проектов, а также могут быть использованы для геоэкологической оценки урбанизированных территорий, организации контроля промышленных выбросов в атмосферу частиц РМ10 и РМ2,5 на основе лидарного метода измерений. Материалы диссертации вошли в научные отчеты по гранту РФФИ «Разработка метода оперативной оценки степени техногенного загрязнения

воздушного бассейна города (региона) на основе комплексных измерений, моделирования и ГИС» (№ 06-02-96320»), гранту РФФИ «Мониторинг техногенного воздействия и рациональное природопользование в действующих и вновь создаваемых промышленных районах» (№ 09-05-97505), государственному контракту «Оценка дисперсного состава пылегазовых выбросов предприятий и исследование загрязнения атмосферы промышленного центра взвешенными частицами с использованием измерительного лидарного комплекса БелГУ» (№ гос. рег. 0120120561), хоздоговорным темам № 707/05 «Разработка сводного тома «Охрана атмосферы и ПДВ г. Белгорода», № 3/11 «Разработка проекта нормативов ПДВ для ЗАО «Белгородский цемент». Эффективность исследований подтверждена справками о внедрении в практическую деятельность администрацией г. Белгорода и ЗАО «Белгородский цемент».

Личный вклад автора. Диссертационная работа является самостоятельно выполненным научным трудом. Все научные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично. Из научных трудов, опубликованных в соавторстве, в работе использованы лишь те идеи и положения, которые являются результатом личной работы соискателя.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены автором на следующих научно-практических конференциях: Международной конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье», (Белгород, 2004 г.), II Международной конференции-выставке «Экологические системы, приборы и чистые технологии» (Москва, 2007 г.), III, IV и V Международных конференциях «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах» (Белгород, 2008, 2010, 2013 гг.). Разработка «Геоинформационная аналитическая система «Эко-город» получила в 2012 г. национальный сертификат качества №01031 Российской Академии естествознания в номинации «Наука и технологии».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 11 работ – в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК РФ. Получено 4 авторских свидетельства об официальной регистрации баз данных и программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня сокращений, библиографического списка из 238 наименований (из них 24 на английском языке) и 3-х приложений. Основной текст диссертации изложен на 137 страницах машинописного текста и содержит 17 таблиц и 34 рисунка.

Нормирование качества атмосферного воздуха

В качестве объектов геоэкологического исследования урбанизированных территорий преимущественно используют понятия «город» и «городская среда». Город – крупный населенный пункт, являющийся административным, транспортным, промышленным, торговым и культурным центром [145]. Согласно Н.Ф. Реймерсу, малыми городами считаются населенные пункты с населением 10 – 50 тыс. жителей, средними – 50 – 100 тыс., крупными – 100 – 500 тыс. и крупнейшими – более 500 тыс. жителей [175]. Сложный комплекс города с пригородами, где находятся и сельскохозяйственные и населенные пункты, представляет собой городскую агломерацию. С развитием урбанизации у городов появляются новые функции. Для всех городов, численность которых превышает 50 тыс. человек, характерна полифункциональность (центры разнообразной промышленности, транспортные узлы, административные и информационные центры и т.п.). Помимо градообразующих, город выполняет градообслуживающие функции: обслуживание собственного населения внутригородским транспортом, коммунальными и бытовыми услугами, продукцией повседневного спроса.

Урбанизация преобразует исходный природный комплекс, создавая в крупных городах особую городскую (урбанизированную) среду – среду обитания человека. Город, являясь своеобразной экологической, неустойчивой природно-антропогенной системой, состоящей из архитектурно-строительных объектов и резко нарушенных естественных экосистем, называется урбоэкосистемой [175]. Согласно В.В. Владимирову [39], любой город имеет несколько системных (в том числе экосистемных) характеристик, закономерности которых необходимо учитывать в процессе его исследования, конструирования или управления им. Это сложная система, характеризующаяся многообразными внутренними и внешними связями естественного, технического и социального происхождения. Таким образом, в более широком значении город следует рассматривать как урбогеосоциосистему, в состав которой входят: - урбоэкосистема, т.е. видоизмененная под воздействием человека природная экосистема городской территории; - социальная подсистема, т.е. функционально дифференцированная совокупность людей, или социосфера города; - промышленный комплекс или техносфера города [114]. Индикатором качества городской среды в первую очередь является здоровье человека. Особое место по степени влияния на здоровье человека и других представителей городской и пригородной фауны принадлежит городскому воздуху. Быстрое загрязнение атмосферы – наиболее опасное последствие техногенной эволюции городской среды. Поэтому поддержание хорошей городской среды предусматривает контроль этого компонента ландшафта и управление его качеством [199].

Загрязнение атмосферы вызывается естественными и антропогенными источниками твердых, жидких и газообразных веществ (рисунок 1.1) [199]. К антропогенным источникам относятся предприятия промышленности, сельского хозяйства, транспорта, бытовые и другие объекты, осуществляющие выброс в атмосферу различных химических соединений [60]. Ежегодно в мире сжигается около 10 млрд. т органического топлива, перерабатывается около 2 млрд. т рудных и сыпучих нерудных материалов, в воздух выбрасывается до 200-300 млн. т различной пыли и золы. Атмосферу загрязняют все виды транспорта, больше всего – автомобильный, на долю которого приходится около 55% транспортного загрязнения атмосферы. Один автомобиль, проходя в год 15 тыс. км, потребляет около 4 т кислорода, сжигает примерно 2-3 т топлива и выбрасывает в атмосферу 3,25 т диоксида углерода, 530 кг оксида углерода, 27 кг оксида азота и 10 кг резиновой пыли [199].

Рисунок 1.1 – Схема загрязнения атмосферы и круговорота веществ в ней

[199]

Химическое загрязнение атмосферы создает ряд серьезных геоэкологических проблем. К их числу относится антропогенное изменение климата и его последствия, нарушающие естественное состояние озонового слоя [3], асидификация и локальное загрязнение атмосферы [57], фотохимические превращения, в которых в результате сложных взаимодействий ЗВ, озона и других компонентов атмосферы в сочетании с солнечным излучение образуется фотохимический смог, более опасный для природной среды, чем вещества, поступающие от ИВ [35] .

Из-за сильного загрязнения атмосферы различными молекулярными компонентами парниковый эффект в городах проявляется значительно сильнее [59, 60].

Загрязнение атмосферного воздуха является одним из основных факторов риска для здоровья, связанных с окружающей средой. По оценкам Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) в 2012 году загрязнение атмосферного воздуха в городах и сельских районах привело к 3,7 млн. случаев преждевременной смерти в мире [89]. Эта смертность в значительной мере вызвана воздействием мельчайших твердых частиц, которые легко проникают в организм человека и оседают в различных отделах респираторного тракта. В эколого-гигиенических исследованиях принята следующая классификация твердых частиц: - общая пыль (TSP) – сумма взвешенных веществ (total suspended particulate), которая включает все находящиеся в воздухе частицы или же только частицы так называемых ингалябильных размеров, то есть способные попасть в дыхательные пути человека при носовом дыхании; - РМ10 – фракция частиц с аэродинамическим диаметром менее 10 мкм; - РМ2,5 – фракция частиц с аэродинамическим диаметром менее 2,5 мкм; - РМ1 – фракция частиц с аэродинамическим диаметром менее 1,0 мкм (наночастицы, составляющие до 40% выбросов мелкодисперсных фракций выбросов автомобильного транспорта, особенно дизельного, представляющих высокую канцерогенную опасность для здоровья населения).

Функциональное зонирование территории промышленного города

На карте отображена производственная зона города, где районы с концентрацией предприятий и коммунально-складских организаций в западной и восточной частях города названы Западной и Восточной промышленными зонами. Сложившаяся сеть основных линий железных дорог и долина р. Северский Донец делят территорию города на 4 планировочных района, условно названных Центральный, Южный, Западный и Восточный соответственно [16]. Постепенное расширение территории города привело к сосредоточению ведущих промышленных предприятий у границ жилой и общественно-деловой зон города, без соблюдения установленных санитарными правилами [185] размеров СЗЗ [151].

В Центральном планировочном районе расположены историческая жилая застройка, представленная в основном 2-3- и 4-5-этажными зданиями, а также жилыми зданиями повышенной этажности (9-18 этажей). С жилой застройкой граничит консервный комбинат «Конпрок», имеющий СЗЗ в 300 м. Склады этого комбината и кварталы усадебной застройки размещаются в пойме реки Везёлки. Близко от жилой застройки в северной части города располагается аэропорт с аэровокзалом с СЗЗ 2000 м, в пределах которой проживает порядка 1000 человек. В западной части Центрального планировочного района расположены Западная промышленная зона, сельскохозяйственные земли, коллективные сады, а также ботанический сад НИУ «БелГУ». В юго-западной части имеется усадебная застройка и территория под ИЖС. Промышленная зона включает крупные предприятия промышленности: ЗАО «Белгородский цемент», ОАО «Беласбестоцемент», ООО «Завод Краски КВИЛ», ОАО «Белгородстройдеталь», ООО «ЖБИК-4», ООО «Линдор», ЗАО «Энергомаш (Белгород)», ОАО «Гормаш» ОАО «Белвино», ОАО «Цитробел» с полям фильтрации) и объекты энергетики – Газотурбинная ТЭЦ. В пределах границ её СЗЗ проживает более 6000 человек. ОАО «Стройматериалы» (комбинат строительных материалов) расположен в восточной части центрального планировочного района с СЗЗ 300 – 500 м. Его карьер определяет спектр экологических проблем в этой части города. В пределах СЗЗ комбината проживает 1440 человек.

Восточный планировочный район включает кварталы малоэтажной и усадебной застройки так называемого «Старого города», расположенного на левом берегу Северского Донца, а также Восточную промышленную зону, где размещены следующие производства и объекты: витаминов и лекарственных средств (ООО «Полисинтез», ЗАО «Петрохим», «Верофарм»), стройиндустрии (ЖБК-1), машиностроения и металлообработки (заводы «Фрез», «Абразивный», «Новатор», «Энергоремонт», «Энергомаш (Белгород)-БЗЭМ»), пищевых продуктов (ОАО «Белмясо») и канализационные очистные сооружения города (МУП «Водоканал»). Южная часть района занята лесопарком «Сосновка» и учреждениями отдыха.

Южный планировочный район представлен микрорайонами многоэтажной застройки (5-9 и более этажей). Этот район наиболее комфортный для проживания, что обусловлено в основном отсутствием промышленных площадок, а также более высоким, по сравнению с другими районами, уровнем озеленения территории. В восточной части района находится большой лесопарк «Массив», в западной части – лесопарк «Архиерейская роща», парк «Южный» и бульвары. В районе ведется основное многоэтажное жилищное строительство: построены микрорайоны «Луч», «Предзаводской», «Молодежный»; завершается строительство микрорайонов «11», «Новый-2» и др.

В настоящее время рекреационная зона занимает 2,3 тыс. га (14,9% от общей площади города) и включает общегородские озелененные территории (парки, сады, скверы, бульвары), лесопарки, пляжи, учреждения отдыха, детский зоопарк и ботанический сад.

Согласно данным Управления Федеральной службы государственной регистрации, кадастра и картографии по Белгородской области зеленые массивы и насаждения в пределах городской черты занимают 4,839 тыс. га [15]. В структуре озелененных территорий города (рисунок 2.5) преобладают городские леса и лесопарки (69,6%). Для оценки озелененности г. Белгорода использованы показатели, установленные градостроительными нормами [193]: удельный вес озелененных территорий различного назначения в пределах застройки городов (уровень озелененности территории застройки) – не менее 40%; обеспеченность озелененными территориями общего пользования (площадь озелененных территорий в расчете на 1 чел.) для крупных городов (с населением 250-500 тыс. чел.) – не менее 16 кв. м/чел.

Определение регионального перечня приоритетных загрязняющих веществ и вкладов источников аэротехногенных выбросов в загрязнение атмосферы города Белгорода

Исходными данными для определения вкладов промышленных предприятий и автотранспорта в загрязнение атмосферы являлись качественные и количественные характеристики выбросов 56 предприятий, полученные в рамках разработки Сводного тома ПДВ г. Белгорода.

В связи с тем, что данные существующей мониторинговой сети г. Белгорода оказались недостаточными для экологической оценки качества воздушного бассейна городской среды и определения вклада промышленных предприятий и автотранспорта в уровень загрязнения атмосферы, автором использован расчетный метод математического моделирования рассеивания ЗВ в атмосферном воздухе на основе методики, утвержденной в общегосударственном порядке (в настоящее время – ОНД-86) [125]. Использование расчетной схемы ОНД-86 в указанных целях методически проработано в ряде работ [21, 139] и позволяет проводить оценку влияния выбросов ЗВ с достаточно высокой степенью достоверности [42]. Для оценки вклада промышленных предприятий и автотранспорта в уровень загрязнения атмосферного воздуха г. Белгорода, нормирования их выбросов разработана база данных (БД) Сводного тома ПДВ [9], включающая параметры выбросов 2726 ИВ 56-ти предприятий и автомагистралей (и их участков) с интенсивностью движения более 300 автомобилей в час (37 улиц и 5 проспектов, включающих 104 участка). В разработанной БД содержится информация по атрибутивным характеристикам ЗВ (название, код, класс опасности, значения ПДК), нормативам ПДВ) и расчетным максимальным приземным концентрациям (Сmax) в точках контроля на границе единой санитарно-защитной зоны (СЗЗ) промышленного узла, жилой и рекреационной зон с детализация вкладов ИВ предприятий, в т.ч. с учетом классификации источников по высоте. На основе БД производили определение долевого вклада предприятия в загрязнение атмосферного воздуха в точках контроля с детализации вкладов ИВ в величину Сmax. По состоянию на 1.01.2015 г. БД насчитывает 134 ЗВ от 2726 источников выбросов 56-ти предприятий города (приложения 2, 3), поставляющих в атмосферу города 98,05% выбросов ЗВ от стационарных источников.

Одним их важных параметров ИВ является высота, т.к. согласно формуле (2.13) ОНД-86 [125] она прямо пропорционально влияет на Хm – расстояние, на котором образуется максимальная приземная концентрация (Смах). Представленные в БД [9] ИВ автором были классифицированы по высоте согласно [125] на четыре группы (рисунок 3.15): высокие (более 50 м), средней высоты (10-50 м), низкие (2-10 м) и наземные источники (высота 2 м).

Установлено, что большинство ИВ (60,6%) относятся к средним по высоте ИВ. Из них 1074 ИВ (36,6% от общего количества источников) формируют Смах на расстоянии Хm 100 м. Их вклад является доминирующим (61,5-82,2%) в жилой застройке, граничащей с промышленной зоной.

Концентрации Смах формируются на расстоянии более 500 м сравнительно небольшим количеством ИВ (десять высоких и четыре средних по высоте ИВ). К указанным источникам относятся дымовые трубы производств строительных материалов и ТЭЦ. Их вклад по некоторым приоритетным ЗВ (азота диоксид и взвешенные вещества) достигает максимальных значений (27,9-37,8%) в расчетных точках, расположенных в глубине жилой застройки Центрального планировочного района.

На основе изучения схемы улично-дорожной сети города, а также информации о транспортной нагрузке, предоставленной департаментом городского хозяйства администрации г. Белгорода, автором включены в БД автомагистрали с повышенной интенсивностью движения (более 200-300 автомобилей в час): 37 улиц и 5 проспектов, представленные в виде 258 участков (источников неорганизованных выбросов), что обусловлено особенностями их визуализации на электронной карте, выполненной автором с использованием программного приложения БелГИС [49]. Анализ полученных данных по интенсивности движения автотранспорта на территории г. Белгорода позволяет сделать следующие выводы: - для большинства городских автомагистралей отмечены два максимума: утренний и вечерний (соответственно с 7-8 до 10-11 часов и с 16-17 до 19-20 часов). - наибольшая интенсивность движения легкового автотранспорта в часы «пик» наблюдается на проспектах: Б. Хмельницкого, Славы, Ватутина, Белгородском; улицах: Белгородского полка, Преображенской, Попова, Губкина, Костюкова, Волчанской, Михайловскому шоссе, Красноармейской, Студенческой. - наибольшая загруженность грузовым автотранспортом в часы «пик» отмечается на улицах Волчанской, Михайловском шоссе, Серафимовича, Чичерина, Дзгоева, Студенческой и их отдельных участках (Корочанской, Щорса, Костюкова, Губкина, Попова, проспектов Б.Хмельницкого и Ватутина). - наиболее же загруженные автотранспортом в часы «пик» перекрестки: пр. Б. Хмельницкого – ул. Студенческая, Белгородский проспект – ул. Попова, пр. Б. Хмельницкого – пр. Славы.

Для расчета величин выбросов автотранспорта на территории города автором использована программа «Магистраль-город» (версия 2.2), разработанная на основе методики [124], учитывающая основные закономерности изменения выбросов при реальном характере автотранспортного движения в городских условиях, для выполнения расчетов загрязнения атмосферного воздуха – УПРЗА «Эколог» (версия 3.0). По результатам выполненных расчетов загрязнения атмосферы города Белгорода выбросами промышленности и автотранспорта в теплый и холодный периоды года установлено, что максимальные значения приземных концентраций наблюдаются летом (таблицы 3.5, 3.6).

Рекомендации по улучшению геоэкологической ситуации на территории города Белгорода

В России лазерный контроль аэрозольных загрязнений воздушного бассейна проводятся в крупных промышленных городах Сибири [10, 84, 93] на основе аппаратно-программных лидарных комплексов.

Для практического решения задач мониторинга загрязнения атмосферного воздуха и контроля промышленных выбросов взвешенных частиц в атмосферу г. Белгорода нами использован «Измерительный лидарный комплекс БелГУ», включающий стационарный лидарный комплекс МВЛ-60, размещенный под куполом обсерватории университета, и мобильный лидарный комплекс МВЛ-60-МОБ, установленный в транспортном средстве. Лидар МВЛ-60МОБ является трехволновым (измерения проводятся на длинах волн 1064, 532 и 355 нм), может работать в двух режимах измерений – многоволновом и поляризационном [25]. Такое зондирование позволяет одновременно определять коэффициенты ослабления на нескольких длинах волн и позволяет исследовать дисперсный состав пыли в факелах ИВ от 1 до 10 микрон [88].

Основным объектом исследования является объем атмосферы района расположения предприятий Западной промышленной зоны города, в котором локализуются выбросы пыли высоких источников ЗАО «Белгородский цемент» – трубы вращающихся печей производства цемента высотой 65-96 м, работающие практически непрерывно. Выбор объекта исследований сделан по нескольким причинам. Во-первых, ЗАО «Белгородский цемент» имеет самые мощные выбросы твердых ЗВ в атмосферу г. Белгорода и характеристики их выбросов строго регламентированы. Во-вторых, необходимо проводить исследования фактического загрязнения атмосферного воздуха в жилой застройке, расположенной в границах ориентировочной СЗЗ Западной промышленной зоны, для принятия решений об утверждении размеров границ её единой СЗЗ [26].

Лидарные измерения концентрации взвешенных частиц производятся в секторе, обозначенном на рисунке 3.11 с шагом 2,5. При этом вертикальный угол наклона лидара составляет значение 0,5-2,5 с шагом 0,5. Минимальный угол наклона луча 0,5 выбран для того, чтобы трасса измерений проходила выше самого высокого строения на местности.

Угол 2,5 при дальностях 8 км соответствует возможности измерений при обычной облачности. Выбранный вертикальный сектор обеспечивает высоты измерения видимого шлейфа 50-300 м. В результате получаем трехмерный массив данных для атмосферы населенного пункта, позволяющий получить картину пространственного распределения пылевого аэрозоля с разрешением, достаточным для выделения объемов с различными градациями концентрации пыли.

Для определения вертикальной диффузии измерения проводятся в секторе на углах наклона лидара 0,5 – 2,5 с шагом 0,5. Угол наклона луча 0,5 выбран для того, чтобы трасса измерений проходила выше самого высокого строения на местности, угол 2,5 при дальностях 8 км соответствует возможности измерений при обычной облачности. В горизонтальной плоскости измерения проводятся с шагом 2,5. В результате мы получаем трехмерный массив данных для атмосферы исследуемой территории, позволяющий получить картину пространственного распределения взвешенных частиц с разрешением, достаточным для выделения объемов с различными градациями их концентрации [28]. Для обработки результатов лидарного мониторинга аэрозольного загрязнения атмосферы города нами использована специализированная программа «Скат» [161], выполняющая построение 3D модели шлейфа взвешенных частиц в атмосфере по серии горизонтальных контуров. Пространственная привязка результатов дистанционных лидарных измерений к векторной карте местности, в большинстве случаев, однозначно позволяет локализовать и выделить ИВ ЗВ, тем самым решая задачу, не решаемую «традиционными» методами контроля – идентификацию предприятия с максимальной долей вклада в загрязнение атмосферы взвешенными частицами [33].

Нами создан банк экологических картограмм Западного промышленного района Белгорода для различных атмосферных ситуаций, а именно: неустойчивая атмосфера (развитая конвективная турбулентность) и устойчивая или стабильная атмосфера (приземные и приподнятые инверсии температуры или оба типа инверсий одновременно). В случаях устойчивой атмосферы происходит накопление аэрозоля с частицами размером от десятых долей микрометра до 4-5 мкм в зонах устойчивой стратификации. Этот аэрозоль накапливается во время существования как приземной, так и приподнятой температурной инверсии [26, 27].

Пример полученного результата лидарных измерений параметров аэрозоля в виде вертикального среза выбросов 6 труб цементного завода, учитывают ситуацию максимальной производственной загрузки предприятия – в работе 7 вращающихся печей цементного производства, оснащенных системой очистки – электрофильтрами, с эффективностью пылеулавливания 96,7-99,8% (рисунок 3.12).

Средняя часть струи относится к наибольшему по мощности выброса источнику ( Н 96 м), правая часть – к 5 ИВ (Н 65 м), левая – к ИВ помольного отделения с Н 23 м (12 цементных мельниц, Н 24-37 м) и клинкерным складам (неорганизованные источники). В пыли от цементных мельниц и складов присутствует больше крупных частиц, чем в струе от высоких ИВ. Максимальные концентрации аэрозоля от ИВ (Н 96 м) наблюдаются на высоте 300м (8 мг/м3), ИВ (Н 65 м) – на высоте 260 м (10 мг/м3).

В целом по результатам лидарного мониторинга за 2006-2014 гг. установлено, что при любом направлении ветра при скорости более 2 м/c наблюдаются следующие эффекты. Ширина аэрозольных шлейфов может меняться от 50 до 700 м с удалением от источника загрязнения. Частицы размером менее 2,5 мкм обнаруживаются на удалении более 3 км за пределами рассчитанных СЗЗ предприятий западного промышленного района Белгорода (рисунок 3.13) [25,28, 32, 33].