Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние, анализ и оценка загрязнения атмосферы в городах 12
1.1. Загрязнение атмосферного воздуха техногенными газами и аэрозолями 12
1.2. Основные источники антропогенного загрязнения атмосферы г. Улан-Удэ 18
1.3. Численные модели прогнозирования загрязнения атмосферы 23
1.4. Состояние изученности распределения газовых и аэрозольных примесей в городах 40
ГЛАВА 2 . Пространственно-временное распределение газовых и аэрозольных примесей в атмосфере г. Улан-Удэ 51
2.1. Методика выполнения измерений и результаты вертикального распределения метеорологических параметров в приземном слое атмосферы 51
2.2. Сезонные и суточные изменения концентрации газовых примесей 60
2.3. Результаты маршрутных и подфакельных измерений концентрации диоксида серы и оксида углерода 81
2.4. Загрязнение воздушного бассейна города при лесных пожарах в 2002-2003 гг 93
2.5. Результаты исследований ионного и элементного состава аэрозолей 97
ГЛАВА 3. Разработка программного комплекса расчета рассеяния атмосферных примесей 104
3.1. Структура и состав программного комплекса расчетарассеяния атмосферных примесей 104
3.2. Создание ГИОпроекта (электронной карты г. Улан-Удэ) 120
3.3. Результаты численного расчёта рассеяния атмосферных
примесей в приземном слое атмосферы г. Улан-Удэ 125
Заключение 134
Список литературы
- Загрязнение атмосферного воздуха техногенными газами и аэрозолями
- Основные источники антропогенного загрязнения атмосферы г. Улан-Удэ
- Методика выполнения измерений и результаты вертикального распределения метеорологических параметров в приземном слое атмосферы
- Структура и состав программного комплекса расчетарассеяния атмосферных примесей
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В общей системе мониторинга загрязнения окружающей среды важную роль играют исследования атмосферных загрязнений, поскольку через атмосферу происходит загрязнение всех компонент природной среды. Процессы, происходящие в атмосфере, наиболее трудно поддаются контролю, прогнозу и управлению, что затрудняет проведение природоохранных мероприятий. В условиях городов наиболее опасными источниками загрязнения атмосферы являются выбросы крупных промышленных предприятий и автотранспорта.
Город Улан-Удэ входит в первую десятку городов России по степени загрязненности атмосферного воздуха. Результаты исследований по оценке риска здоровью населения от загрязнения атмосферного воздуха показывают, что вклад загрязнения атмосферы в г. Улан-Удэ в общую заболеваемость и смертность населения оценивается на уровне 10-17 %. Около 1/3 экологически обусловленных заболеваний связано с загрязнением атмосферного воздуха. Сложившаяся сложная экологическая обстановка в городе требует проведения большого объема природоохранных мероприятий. Целесообразность и эффективность таких мероприятий зависит от качества информации о состоянии окружающей среды, которую может дать автоматизированная система контроля и прогноза загрязнения атмосферного воздуха. Поэтому экспериментальные исследования пространственно-временной изменчивости газовых и аэрозольных примесей в атмосфере г. Улан-Удэ на основе автоматизированной системы наблюдений и разработка численных методов расчета рассеяния загрязняющих веществ с применением ГИС-технологий представляют большой научный и практический интерес и являются весьма актуальными.
Цель работы заключалась в исследовании динамики процессов загрязнения атмосферы г. Улан-Удэ по результатам многолетних измерений концентраций газовых и аэрозольных примесей и в разработке программного комплекса
5 расчета распространения атмосферных примесей от антропогенных источников выбросов.
Были поставлены и решены следующие задачи:
~ экспериментальные исследования пространственно-временного распределения газовых и аэрозольных примесей в атмосфере;
- изучение стратификации 100-метрового приземного слоя атмосферы;
разработка программного комплекса расчета распространения атмосферных примесей от стационарных и передвижных источников выбросов;
создание электронной карты г. Улан-Удэ в виде ГИС-проекта формата ArcView.
Научную новизну характеризуют следующие полученные результаты:
Разработана и внедрена методика измерения вертикального распределения метеорологических параметров в нижнем 100-метровом приземном слое атмосферы. Впервые получены данные высотного распределения температуры в нижнем 100-метровом приземном слое атмосферы г. Улан-Удэ в различные сезоны года.
Создана электронная база данных, содержащая данные многолетнего ряда наблюдений за концентрацией малых газовых и аэрозольных примесей, метеорологических параметров атмосферы, высотных профилей температуры в нижнем 100-метровом слое атмосферы, карты пространственного распределения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы.
Впервые выявлены сезонные и суточные вариации концентраций малых газовых примесей в приземном слое атмосферы.
Впервые получены данные о пространственном распределении количественного и качественного состава аэрозольных примесей в атмосфере г. Улан-Удэ.
Разработанная программа расчета распространения атмосферных примесей совместно с любым геоинформационным пакетом GIS позволяет в комплексе проводить пространственный анализ распределения загрязняющих веществ в атмосфере.
На защиту выносятся:
Результаты экспериментальных исследований стратификации в нижнем 100-метровом слое атмосферы г. Улан-Удэ в различные сезоны года. Установлено, что в зимнее время повторяемость приземных инверсий наиболее высокая и составляет 77 % от общего числа наблюдений, что способствует накоплению примесей в атмосфере.
На основании многолетних непрерывных синхронных измерений концентраций малых газовых примесей в приземном слое атмосферы выявлены их сезонные суточные вариации.
Установлены количественные оценки пространственной неоднородности химического состава аэрозолей в приземном слое атмосферы г. Улан-Удэ.
Программный комплекс расчета рассеяния примесей в атмосфере, позволяющий учесть вклад всех основных антропогенных источников выбросов и прогнозировать загрязнение атмосферы города.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась регулярным ежегодным проведением поверки газоаналитического оборудования, проведением межлабораторного эксперимента по оценке точности определения концентрации газовых примесей между аккредитованными лабораториями Бурятского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и лабораторией мониторинга загрязнения атмосферы БНЦ СО РАН и проведением калибровки приборов с использованием поверочно-газовых смесей.
Достоверность полученных результатов обеспечивается высокой статистической надежностью полученных оценок, основанных на большом объеме исходных данных.
Практическая значимость работы состоит в том, что экспериментальные результаты исследований пространственно-временного распределения газовых и аэрозольных примесей в атмосфере г. Улан-Удэ могут быть использованы для оценки риска здоровью населения.
Предложенный программный комплекс расчета рассеяния примесей в атмосфере может служить основой для построения единого модельного комплек-
7 са прогноза загрязнения атмосферы, для оценки степени загрязнения атмосферы выбросами всех основных антропогенных источников загрязнения воздушной среды, как в совокупности, так и от выбросов отдельных источников при разных метеорологических ситуациях, что важно для регулирования режима работы предприятий в различные сезоны года и для корректировки сводных томов предельно-допустимых выбросов населенных пунктов.
Результаты экспериментальных исследований использованы для обоснования наиболее приоритетных мероприятий по снижению выбросов загрязняющих веществ, для оценки риска здоровью населения г. Улан-Удэ от загрязнения атмосферного воздуха, что подтверждается актами использования результатов диссертации.
Основная часть исследований по теме диссертации имела целевую практическую направленность и выполнялась в рамках следующих проектов: РФФИ № 01-05-97240, № 05-05-97240; "Югамато-экологический мониторинг Сибири" РНТГТ "Сибирь"; ROLL № 113-3 Агентства США по международному развитию "Внедрение современных автоматизированных средств контроля качества воздуха в Байкальском регионе".
Материалы работы используются в Государственной программе Росгидромета "Организация регулярных наблюдений за содержанием приземного озона в Байкальском регионе", программе "Социально-гигиенический мониторинг в Республике Бурятия", "Комплексной экологической программе г. Улан-Удэ".
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на III и IV международных школах молодых ученых и специалистов "Физика окружающей среды" (Томск, 2002, 2004), XXVIIth General Assembly of the URSI (Maastricht, the Netherlands, 2002), II Сибирской конференции пользователей программных продуктов ESRI и ERDAS "ГИС-технологии в науке, природопользовании и образовании" (Новосибирск, 2003), Международной конференции CITES-2003, 2005 "Вычислительно-информационные технологии для наук об окружающей среде" (Томск, 2003; Новосибирск, 2005), X
8 Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean optics. Atmosphere physics" (Томск, 2003), X и XI Рабочей группе"Аэрозоли Сибири" (Томск, 2003, 2004), International Conference "Science for watershed conservation: multidisciplinary approaches for natural resource management" (Ulan-Ude - Ulan-Bator, 2004), The First International Symposium on Terrestrial and Climate Change in Mongolia (Ulaan-baatar, Mongolia, 2005), The Fourth Vereschagin Baikal Conference (Irkutsk, 2005).
Личный вклад диссертанта в выполнении работы заключался в создании программного комплекса, подготовке и проведении экспериментальных исследований, статистической обработке и анализе результатов, подготовке публикаций и докладов на конференциях. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации, и выносимые на защиту положения получены автором лично.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, приложения; изложена на 160 страницах, включая 47 рисунков и 18 таблиц. Список литературы включает 114 наименований.
В первой главе приводится обзор исследований по изучению пространственно-временного распределения аэрозольно-газовых примесей в различных регионах. Рассмотрены различные подходы к моделированию загрязнения воздушного бассейна, используемые в мировой практике. Имеющиеся в литературе экспериментальные данные по распределению аэрозолей и газовых примесей в условиях города систематизированы и проанализированы в зависимости от физико-климатических особенностей объекта исследования, влияния различных источников выбросов, неблагоприятных метеорологических условий. В настоящее время достаточно хорошо разработаны методики оценки и прогноза уровня загрязнения атмосферного воздуха для Европейской части СНГ и Западной Сибири. Для условий г. Улан-Удэ, отличающегося от вышеназванных регионов сложным рельефом и крайне неблагоприятными условиями для рас-
9 сеивания техногенных выбросов в атмосфере, подобные методики не совсем
приемлемы и требуют определенной корректировки.
Механизм формирования воздушных потоков, особенно в городах, весьма сложен, многофункционален и в настоящее время недостаточно полно изучен, поэтому необходима информация, получаемая из натурных исследований и численных расчетов.
Во второй главе приведены результаты непрерывных синхронных измерений малых газовых примесей и аэрозолей в атмосфере г. Улан-Удэ,
Приведено описание методики измерения вертикального распределения метеорологических параметров в приземном слое атмосферы на основе метода радиозондиро вания.
Изложены результаты экспериментальных исследований метеорологических параметров атмосферы, вертикальной структуры температуры воздуха в нижнем 100-метровом слое атмосферы г. Улан-Удэ. Показано, что основными факторами, оказывающими влияние на формирование загрязнения атмосферы города, являются инверсионные ситуации, слабые ветровые потоки.
Дается физико-климатическая характеристика г. Улан-Удэ, Рассматриваются природные особенности территории и климатообразующие факторы.
Приводится описание методики измерения концентраций газовых примесей и технические характеристики приборов. Описаны методы отбора и анализа проб аэрозолей.
Приводится описание электронной базы данных. База данных содержит результаты многолетних измерений концентраций газовых и аэрозольных примесей, метеорологических параметров, вертикального распределения температуры в нижнем 100-метровом слое атмосферы, карты-схемы пространственного распределения примесей в приземном слое атмосферы г. Улан-Удэ, начиная с 1995 г.
Представлены результаты исследований пространственно-временной изменчивости концентраций оксида углерода (СО), оксида азота (NO), диоксида азота (NO2), приземного озона (Оз) за трехлетний период наблюдения. На ос но-
10 ве большого статистического материала выявлены сезонные и суточные вариации малых газовых примесей в атмосфере г. Улан-Удэ.
Приводится анализ газового загрязнения воздушного бассейна г. Улан-Удэ в весенне-летний период лесных пожаров 2002-2003 гг. Представлены результаты маршрутных и подфакельных измерений концентрации диоксида серы и оксида углерода. Приводятся результаты исследований ионного и элементного состав аэрозолей в атмосфере города. Установлены количественные оценки пространственной неоднородности химического состава аэрозолей в приземном слое атмосферы г. Улан-Удэ. Наиболее высокое содержание мелкодисперсных взвешенных частиц отмечается в воздухе жилых кварталов, расположенных вблизи крупных промышленных предприятий.
Третья глава посвящена разработке программного комплекса расчета рассеяния атмосферных примесей на основе диффузионной модели М.Е. Берлянда, позволяющей исследовать распространение примесей от источников различного типа при разных метеорологических условиях.
Описывается разработанный ГИС-проект, конструктивно связанный с программным комплексом расчета рассеяния газовых примесей в атмосфере. В основу ГИС-проекта заложена созданная электронная карта г. Улан-Удэ. Электронная карта предназначена для представления в графическом виде информации о пространственном распределении техногенного загрязнения атмосферы города от конкретных источников выбросов и оперативного управления качеством воздуха.
Приводятся результаты численного расчета рассеяния атмосферных примесей в г. Улан-Удэ. Учитывается влияние выбросов автотранспорта, стационарных источников и анализируется их вклад в общее загрязнение атмосферы города.
Анализ результатов тестовых расчетов, численных экспериментов и данных наблюдений позволил сделать вывод, что разработанный программный комплекс достоверно рассчитывает распространение примесей в атмосфере.
Расхождение между результатами численного моделирования и экспериментальными данными не превышает 30%.
В заключении приведены основные результаты работы.
В приложении приведены копия аттестата аккредитации аналитической лаборатории, результаты тестовых расчетов, листинг программы расчета рассеяния газовых примесей в атмосфере.
Работа выполнена в Отделе физических проблем при Президиуме Бурятского научного центра СО РАН.
Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю к.ф.-м.н. Т.С Жамсуевой и к.ф.-м.н. А.С. Заяханову за постоянную помощь и поддержку работы. Неоценимую помощь оказали сотрудники лаборатории радиофизики Отдела физических проблем Бурятского научного центра СО РАН при выполнении экспедиционных и экспериментальных работ, за что автор выражает им сердечную благодарность.
Загрязнение атмосферного воздуха техногенными газами и аэрозолями
Атмосферный воздух является одним из самых основных жизненно важных элементов окружающей среды и никогда не бывает абсолютно чистым. Общее количество загрязнителей, находящихся постоянно в атмосферном воздухе над планетой, составляет примерно 10 млн. т, что обусловлено как производственной деятельностью человека, так и естественными процессами, протекающими в природе [57].
Чистота атмосферного воздуха - один из важнейших показателей экологического состояния окружающей среды. В последнее время отмечается ухудшение экологической обстановки в городах, что связано в первую очередь с увеличением антропогенного воздействия на атмосферу. В связи с этим, внимание исследователей все более привлекают проблемы исследований аэрозольно-газового загрязнения атмосферы.
В настоящее время в биосфере постоянно находится около одного миллиона различных химических соединений антропогенного происхождения, и число их непрерывно растет. В мире ежегодно синтезируется почти 250000 новых химических веществ, многие из которых становятся потенциальными загрязнителями атмосферы, воды, почвы. По определению Всемирной организации здравоохранения загрязнение воздуха имеет место в тех случаях, когда загрязняющее вещество или несколько загрязняющих воздух веществ присутствуют в атмосфере в таком количестве и в течение такого времени, что они причиняют вред или могут способствовать причинению вреда людям, животным, растениям и имуществу [54].
Более 99,9 % сухого атмосферного воздуха состоит из азота, кислорода и аргона и лишь 0,1 % приходится на долю диоксида углерода, криптона, не 13 она, гелия, ксенона и водорода. Однако даже в чистом воздухе присутствуют следовые количества (от 0,003 до 0,25 мг/м3) оксида углерода, озона, оксидов азота и аммиака, а также 0,5-1,5 мг/м3 водорода и метана. Присутствие небольших количеств этих газов в воздухе объясняется существованием свободного озона в верхних слоях атмосферы, а также процессами гниения и разложения (аммиак, метан, оксиды углерода) или атмосферными явлениями. Все другие соединения (твердые, жидкие и газообразные вещества, изменяющие естественный состав атмосферы), попадающие в воздух из различных источников (в основном антропогенного происхождения), классифицируются как загрязнители. К ним относятся оксиды углерода, серы и азота, углеводороды, различные оксиданты, аэрозоли металлов, твердые вещества (пыль, сажа, органические аэрозоли) и радиоактивные вещества [8, 67].
В зависимости от источника и механизма образования различают первичные и вторичные загрязнители воздуха. Первые представляют собой химические вещества, попадающие непосредственно из стационарных или подвижных источников. Вторичные образуются 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 пер оке иацетил нитратов, гораздо токсичнее первичных загрязнителей воздуха. Большая часть присутствующих в воздухе твердых частиц и аэрозолей является вторичными загрязнителями [54].
О количественном соотношении поступающих в атмосферу примесей можно судить по табл. 1.1 [54]. Распределение антропогенной нагрузки для основных загрязняющих примесей по регионам России приведено в табл. 1.2.
С учетом токсичности, потенциальной опасности и распространенности загрязнители разделены на несколько групп [108]: 1) основные (критериальные) загрязнители атмосферы — оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, углеводороды, твердые частицы и фотохимические оксиданты; 2) полициклические ароматические углеводороды; 3) следы элементов (в основном металлы); 4) постоянные газы (диоксид углерода, фторхлорметаны и др.); 5) пестициды; 6) разнообразные загрязнители, оказывающие многостороннее действие на организм (нитрозалины, сульфаты, нитраты, альдегиды).
Основные источники антропогенного загрязнения атмосферы г. Улан-Удэ
Продукты сгорания, выброшенные из труб тепловых электроцентралей, котельных и других энергетических объектов города, разносятся на большие расстояния, порядка нескольких десятков километров, по направлениям господствующих ветров, участвуя в региональном загрязнении окружающей среды. Но наиболее опасны те выбросы, которые оседают на близлежащие от источника территории, в сфере так называемого интенсивного техногенного воздействия, то есть на городские площади. Опасность усугубляется еще и тем, что большинство предприятий топливно-энергетического комплекса находится в центре города (например, ТЭЦ-1).
По условиям сжигания и структуре потребления топлива, ТЭК можно условно разделить на две группы: в первую входят ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, во вторую - разного рода котельные и печи - источники технологического и коммунального тепла. Сопутствующим источником загрязнения атмосферы в ТЭК являются золоотвалы. Наиболее крупные принадлежат ТЭЦ-1, объемом в 1 млн. м3, где в повышенных концентрациях содержатся свинец, молибден, цинк, ванадий и другие вредные вещества [36].
В твердых топливах содержатся почти все элементы таблицы Менделеева в количестве от 5 до 500 г на тонну угля. В процессе сжигания ряд эле 21 ментов возгоняется в газообразные кислородные соединения, а затем по мере охлаждения газов конденсируется на твердых частицах. Другие не дают летучих газообразных соединений, но при сжигании также превращаются в окислы, которые равномерно распределены между шлаком и золой.
В минеральной части углей и сланцев выявляются высокотоксичные металлы: марганец, ванадий, хром, свинец, ртуть, мышьяк, кобальт, уран. Угли месторождений Бурятии имеют повышенное содержание ванадия, свинца, ртути, мышьяка, стронция и урана.
Одним из наиболее крупных и трудно поддающихся очистке загрязнителей атмосферного воздуха, являются окислы серы. При сжигании топлива в камерных топках практически вся сера переходит в сернистый ангидрид. При выходе из дымовой трубы, под действием солнечного света, сернистый ангидрид доокисляется в серный ангидрид.
При сжигании топлива в котлоагрегатах ТЭЦ происходит образование окиси азота. В газоходах котлов 1-5 % от общего количества окиси азота превращается в двуокись. Выбросы окислов азота в атмосферу по массе равны выбросам золы и лишь в 3-5 раз меньше выбросов окислов серы.
При сжигании органического топлива образуются канцерогенные вещества. Наиболее распространен бенз(а)пирен, который образуется в процессе пиролиза угля и углеводородных топлив при температуре более 600 С. Главными источниками выброса в атмосферу г. Улан-Удэ бенз(а)пирена являются отопительные котельные и автотранспорт.
Начиная с середины 90-х гг. началось снижение объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферу г. Улан-Удэ. Все промышленные предприятия г. Улан-Удэ многократно сократили свое производство, а некоторые полностью остановились.
Основными источниками загрязнения воздушного бассейна г. Улан-Удэ среди отраслей промышленности являются машиностроение и металлообработка-локомотивовагоноремонтный завод (ЛВРЗ), завод металлических мостовых конструкций (ЗММК), авиационный завод, предприятия по производству строительных материалов. Доля промышленных предприятий в общей эмиссии вредных веществ в атмосферу равна 17 % [36].
Экологические проблемы автотранспорта г. Улан-Удэ, обусловленные конструктивными характеристиками двигателей и используемым топливом, усугубляются существующими климатическими условиями эксплуатации — длительная и суровая зима требует большего расхода энергии.
В отличие от стационарных источников загрязнения атмосферы, привязанных к определенным территориям, автотранспорт является мобильным источником, активно и постоянно проникающим в жилые районы и зоны отдыха [3]. Автомобильные газы представляют собой чрезвычайно сложную, недостаточно изученную смесь компонентов - работающий автомобиль выделяет в окружающую среду более 280 веществ и соединений, обладающих токсичным действием, среди которых немало канцерогенов. Автотранспорт в настоящее время является одним из главных источников загрязнения воздушной среды г. Улан-Удэ, выбрасывая 23505 т/год (по состоянию на 01.01.2002) [36]. Следует отметить, что количество автотранспортных средств из года в год увеличивается, как и их суммарные выбросы. Выбросы автотранспорта, уступая по объему выбросам стационарных источников, обладают более высокой токсичностью. Отработанные газы автомобилей, поступая в нижний слой атмосферы, сразу попадают в дыхательные пути человека, а процесс их рассеивания значительно отличается от процессов рассеяния выбросов высоких стационарных источников. Поэтому автотранспорт следует отнести к категории наиболее опасных источников загрязнения атмосферы.
Методика выполнения измерений и результаты вертикального распределения метеорологических параметров в приземном слое атмосферы
Основной чертой термического режима Восточной Сибири является резкая контрастность, проявляющаяся в сезонном и суточном ходе температуры воздуха. Особенности в распределении вертикальных градиентов температуры воздуха на территории региона связаны с ее инверсией, очень характерной для Восточной Сибири. Преобладающие здесь ясные и малооблачные погоды способствуют радиационному выхолаживанию приземного слоя атмосферы как зимой, так и в ночные часы летом, а слабое развитие адвективных процессов в нижнем слое атмосферы приводит к тому, что уже с осени в отрицательных формах рельефа скапливаются и застаиваются выхоложенные воздушные массы, что приводит к возникновению инверсий температуры.
Зимние инверсии в условиях горного рельефа Восточной Сибири носят зачастую сложный характер, сочетая антициклональные и радиационные типы, вертикальная мощность которых достигает 1-1,5 км. Большую опасность представляют так называемые застои воздуха, т.е. ситуации, когда приземные инверсии температуры наблюдаются при скорости ветра 0-1 м/с. В таких случаях выбросы вредных веществ не могут подниматься в верхние слои атмосферы и уноситься от источников выбросов. При застоях воздуха все вредные вещества скапливаются у источника выбросов [12].
В условиях г. Улан-Удэ формируются условия, способствующие накоплению атмосферных загрязнений за счет инверсионных ситуаций. Исследование вертикального распределения температуры в приземном слое атмосфе 52 ры является одним из важных этапов для оценки степени загрязнения приземного слоя атмосферы.
В целях детального изучения вертикального распределения метеорологических параметров в приземном слое атмосферы г. Улан-Удэ были проведены радиозондовые измерения температуры и влажности воздуха в нижнем 100-метровом слое атмосферы.
Для подъема регистрирующего прибора была изготовлена специальная система подъема и спуска (рис. 2.1) с использованием 100-метровой телевизионной мачты. На вершине мачты была укреплена металлическая рея / с выступающей частью в 2,5 м. Тонкий стальной трос 2 был пропущен через блоки с желобами 3, укрепленными к рее, через блок 4, укрепленный к основанию мачты, и через блок лебедки 5. К концам троса закреплялась рама б, служащая для помещения в ней регистрирующего прибора 7. Использование выступающей от мачты реи и удаление лебедки от основания мачты на 20 м позволило практически избавиться от влияния тела мачты на измеряемое поле температуры и влажности.
Прибор поднимался вдоль троса, натянутого под углом к мачте, с трехминутной выдержкой на высотах 2, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 и 100 м в среднем 4 раза в сутки (утром, днем, вечером, ночью).
В качестве регистрирующего прибора использовались датчики от радиозонда РКЗ-3 [75], которые помещались в специальный блок (рис. 2.2). Датчики предварительно были откалиброваны в термостате и гигростате. При поднятии на высоту регистрирующего прибора применялся дистанционный метод измерения. Измерительный прибор Е7-11 находился на земле в стационарном пункте наблюдения. Коммутация измерителя осуществлялась по монтажным проводам, собственными сопротивлениями которых можно пренебречь.
При измерении температуры, как одного из основных метеорологических параметров приземного слоя атмосферы, использовался мостовой метод измерения и в качестве чувствительного элемента температуры использовал 53 ся полупроводниковый термометр сопротивления - терморезистор ММТ-1 (рис. 2.3 а). Терморезистор обладает значительным температурным коэффициентом и позволяет измерять температуру в пределах от - 90 С до + 50 С. Терморезисторы типа ММТ особенно удобны для измерения температуры при поднятии датчиков температуры на высоту до сотен метров.
Структура и состав программного комплекса расчетарассеяния атмосферных примесей
Формирование программного комплекса для расчета распространения примесей. Загрязнение атмосферы характеризуется большой пространственно-временной неоднородностью, обусловленной расположением источников выбросов, их мощностью, а также изменением условий погоды и режима выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Поскольку процессы в атмосфере сложны и многообразны, а число определяющих факторов достаточно велико, то наряду с организацией сети наблюдений за загрязнением воздуха значительное развитие получило математическое моделирование процессов распространения загрязняющих атмосферу веществ от их источников на основе теории турбулентной диффузии [82]. На его основе осуществляется выбор места строительства предприятий, рационального размещения производственных и жилых сооружений, нормирования вредных выбросов для обеспечения необходимых гигиенических и экологических условий.
Актуальной проблемой остается разработка компьютерной системы, позволяющей оперативно проводить расчеты выбросов предприятий, автотранспорта.
Такая система должна удовлетворять нескольким основным требованиям: а) быть платформенно-независимой; б) обладать дружественным интерфейсом, позволяющим специалистам с разным уровнем компьютерной подготовки использовать эту систему; в) позволять использовать в расчетах различные модели распростране ния примесей в атмосфере, каждая из которых имеет свои особенности, свою область применимости и т.д.
Для создания программного комплекса использовалась система быстрой разработки приложений - Delphi 6 Enterprise. Выбор данной системы обусловлен тем, что Delphi - это мощная среда, обладающая богатой палитрой компонентов, позволяющей создавать приложения любой степени сложности, широкими возможностями управления базами данных. Также к несомненным достоинствам Delphi относится платформенная независимость, т.е. возможность переносить готовый продукт на разные операционные системы с незначительным изменением кода.
В качестве математического аппарата для программного комплекса была выбрана "Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий" (ОНД-86), разработанная Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова [23]. Выбор методики ОНД-86 был обусловлен тем, что она имеет широкое распространение на территории Российской Федерации и, по сути, является единственным нормативным документом, устанавливающим требования в части расчета концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе от промышленных предприятий. Кроме того, диффузионная модель Берлянда, на которой основана методика ОНД-86, имеет существенные преимущества над эм-пирико-статистической моделью Гаусса, часто используемой за рубежом. Модель Берлянда, по сравнению с гауссовой, является более универсальной, так как позволяет исследовать распространение примесей от источников различного типа при разных характеристиках среды.
Согласно ОНД-86 выделяют 3 типа источника: точечный, линейный, площадной. Данные типы источников соответствуют реальным промышленным объектам. Так за точечный источник принимаются заводские трубы, трубы котельных и т.д. Площадной источник - стоянки автомобилей, хвосто-хранилища и отвалы, а линейный источник может считаться как поток автотранспорта или аэрационный фонарь.
В соответствии с этим разделением были сформированы 3 пакета подпрограмм: "Точечный источник", "Линейный источник", "Группа источников". Подпрограмма "Точечный источник" вычисляет значения приземных концентраций атмосферных примесей от одного точечного источника — трубы предприятий, котельных и т.д. Подпрограмма "Линейный источник" предназначена для определения концентраций от потока автотранспорта. Подпрограмма "Группа источников" позволяет вычислять приземные концентрации от группы точечных источников. В основе каждой подпрограммы лежит процедура определения приземных концентраций загрязняющих веществ от одиночного точечного источника. Часть использованных процедур являются стандартными процедурами Delphi, которые являются неотъемлемой частью при написании программ.
Подпрограмма "Точечный источник". Разработанная подпрограмма "Точечный источник" представляет собой набор процедур, вычисляющих приземную концентрацию атмосферных примесей от выбросов одиночного точечного источника.
