Оценка атмосферного загрязнения выбросами предприятий промышленных центров Иркутской области Ахтиманкина Анастасия Владимировна

Содержание к диссертации

Введение

1. Исследование качества атмосферного воздуха (обзор литературы)

1.1 Изученность вопроса загрязнения атмосферного воздуха 14

1.2 Нормирование качества атмосферного воздуха в Российской Федерации и зарубежных странах

1.3 Потенциал самоочищения атмосферы как фактор, влияющий на уровень загрязнения атмосферы (существующие методы расчета)

1.4 Подходы к исследованию загрязнения атмосферного воздуха 39

2. Материалы и методы исследования 45

2.1 Территория исследования 45

2.1.1 Особенности рельефа Иркутской области 46

2.1.2 Климатические условия Иркутской области

2.2 Используемые метеорологические данные и методы их обработки 51

2.3 Стационарные источники промышленных предприятий Иркутской области

2.4 Модели расчета уровней загрязнения атмосферного воздуха 63

2.4.1 Модель расчета абсолютных концентраций загрязняющих веществ 63

2.4.2 Модель расчета частот превышения гигиенических нормативов загрязняющих веществ 3. CLASS Оценка загрязнения атмосферного воздуха иркутской области выбросами стационарных источников промышленных предприятий CLASS

3.1 Анализ рассеяния ветрового потока как фактора, влияющего на перенос примеси

3.1.1 Устойчивость ветровых характеристик 71

3.1.2 Эллипсы рассеяния ветрового потока на территории Иркутской области 89

3.2 Расчетные абсолютные концентрации загрязняющих веществ, создаваемые выбросами стационарных источников промышленных предприятий Иркутской области

3.3 Частоты превышения гигиенических нормативов загрязняющих веществ, поступающих с выбросами стационарных источников промышленных предприятий Иркутской области

3.4 Динамика концентраций загрязняющих веществ, фиксируемых на постах наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха

Заключение 127

Список использованных источников 131

Приложения

• Нормирование качества атмосферного воздуха в Российской Федерации и зарубежных странах
• Особенности рельефа Иркутской области
• Модели расчета уровней загрязнения атмосферного воздуха
• Расчетные абсолютные концентрации загрязняющих веществ, создаваемые выбросами стационарных источников промышленных предприятий Иркутской области

Введение к работе

Актуальность темы

В настоящее время загрязнение атмосферного воздуха выбросами промышленных предприятий охватывает значительные по площади территории, от городов и городских агломераций до целых регионов. Остро стоит проблема загрязнения атмосферного воздуха и в Иркутской области – регионе, являющемся индустриальным центром Восточной Сибири. Обладая значительными запасами природных ископаемых, Иркутская область занимает лидирующие позиции среди других регионов Сибирского федерального округа в химическом и металлургическом производстве, машиностроении, добыче полезных ископаемых, производстве электроэнергии, алюминия, целлюлозы. Такое разнообразие производственных отраслей, присутствующих на территории области, отражается и на разнообразии оказываемого воздействия на окружающую среду, и в первую очередь, на атмосферный воздух.

Согласно статистическим данным, ежегодно публикуемым Министерством природных ресурсов, Иркутская область занимает девятое место (по данным за 2014 г.) среди остальных 84 субъектов РФ по объему выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух (825 тыс. т), уступая по этому показателю Красноярскому краю, Кемеровской и Свердловской областям и ряду других субъектов. Стоит отметить, что на протяжении последних шестнадцати лет наибольшая часть выбросов приходится на стационарные источники (более 77 %), выбросы же от передвижных источников составляют чуть более 20 % от общего объема поступающих в атмосферу загрязняющих веществ.

Наиболее экологически неблагополучными являются крупные промышленные центры области, такие как Иркутск, Ангарск, Братск, Шелехов, Зима. Данные населенные пункты на протяжении более 10 лет ежегодно входят в Приоритетный список городов с наибольшим уровнем загрязнения, формируемый по величине индекса загрязнения атмосферы (ИЗА).

В связи с этим важным является вопрос диагностики и прогнозирования уровней атмосферного загрязнения с целью разработки рекомендаций по совершенствованию производственных технологий и принятию необходимых мер по снижению нагрузки на атмосферу. Особое внимание следует уделять основному источнику поступления загрязняющих веществ в атмосферный воздух на территории Иркутской области – стационарным источникам промышленных предприятий.

В настоящее время наблюдения за содержанием загрязняющих веществ ведутся на постах слежения за состоянием атмосферного воздуха. Получаемые в ходе выполняемой измерительной кампании результаты не дают полной картины загрязненности воздуха, поскольку представляют лишь значения концентраций отдельных компонентов состава воздуха при ограниченном числе наблюдений, либо в локальной точке местности.

Кроме регулярных систематических наблюдений, выполняемых в рамках мониторинга загрязнения атмосферного воздуха Иркутской области, существует

ряд исследований, посвященных изучению загрязнения воздушного бассейна либо отдельными крупными промышленными объектами, либо направленных на оценку загрязнения путем исследования химического состава атмосферных выпадений.

Наиболее показательным для оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха, по мнению автора, является расчет абсолютных концентраций загрязняющих веществ в атмосфере, а также определение (с учетом климатических особенностей местности) продолжительности воздействия на окружающие ландшафты и население опасных концентраций примесей.

Цель работы: оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха, создаваемого выбросами стационарных источников предприятий промышленных центров Иркутской области с учетом климатических факторов, влияющих на рассеяние и накопление загрязняющих веществ.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

сформировать базу данных 8-срочных многолетних наблюдений, проводимых на гидрометеорологических станциях Иркутской области; провести их статистическую обработку;

рассчитать устойчивость ветровых характеристик;

построить климатические эллипсы рассеяния;

сформировать базу инвентаризационных данных стационарных источников промышленных предприятий;

рассчитать абсолютные концентрации загрязняющих веществ;

рассчитать частоту превышения санитарно-гигиенических нормативов, установленных для загрязняющих веществ;

построить карты-схемы изолиний абсолютных концентраций загрязняющих веществ;

построить карты-схемы изолиний частот превышения гигиенических нормативов загрязняющих веществ;

- проанализировать динамику концентраций, фиксируемых на пунктах
наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха на территории Иркутской об
ласти;

- провести сравнительный анализ расчетных и натурных данных, характери
зующих уровень атмосферного загрязнения.

Фактический материал. Диссертация основана на данных 8-срочных многолетних (1995-2014 гг.) наблюдений за температурой и вектором скорости ветра 22 гидрометеорологических станций. Для расчетов уровней загрязнения атмосферного воздуха используются данные инвентаризации 20 000 стационарных источников предприятий промышленных центров Иркутской области: взаимное расположение источников (координаты), высота источника (трубы), радиус устья источника, температура и скорость выхода газовоздушной смеси (ГВС), интенсивность (мощность) источника. Расчет проводится по 100 наименованиям загрязняющих веществ. Для верификации полученных в результате расчета данных используются данные натурных наблюдений с пунктов слежения за загрязнением

атмосферы, расположенных на территории городов Иркутск и Шелехов за период 2000-2015 гг. и 2008-2015 гг. соответственно.

Методы исследования. Для обработки временных рядов метеорологических данных использованы методы математической статистики. В частности, для подготовки данных в качестве входных в модели расчета уровней загрязнения атмосферы использовался расчет характеристик положения и разброса.

Расчет абсолютных концентраций загрязняющих веществ осуществлялся с использованием стандартной эмпирической модели, основанной на методике ОНД-86 и реализованной программным комплексом «Эколог». Для нахождения частот превышения гигиенических нормативов загрязняющих веществ применялась полуэмпирическая математическая модель, учитывающая климатические особенности местности и основанная на аналитическом решении уравнения переноса и турбулентной диффузии примеси с замыканием на интегральную функцию распределения двумерного вектора скорости ветра.

Метод статистического анализа данных концентраций, полученных на постах наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха, позволил выявить посты с наибольшей частотой повторяемости превышения санитарно-гигиенических нормативов качества атмосферного воздуха, а также проанализировать динамику усредненных и максимальных концентраций на территории Иркутска и Шелехо-ва.

Для графического представления результатов исследования использовались программные пакеты Surfer, Quantum GIS, AutoCAD.

Научная новизна работы заключается в следующем:

впервые для территории Иркутской области на основе данных многолетних метеорологических наблюдений (1995-2014 гг.) построены климатические эллипсы, характеризующие рассеяние компонентов вектора скорости ветра и определяющие основные направления переноса загрязняющих веществ в атмосфере;

впервые на основе современных данных о действующих стационарных источниках предприятий промышленных центров, в целом для территории Иркутской области, проведен расчет абсолютных концентраций загрязняющих веществ и частот превышения гигиенических нормативов;

на основе полученных результатов составлены карты изолиний абсолютных концентраций загрязняющих веществ и частот превышения гигиенических нормативов для территории Иркутской области;

впервые проведен анализ репрезентативности существующей схемы расположения постов наблюдения за загрязнением атмосферы, с точки зрения однородности получаемых в ходе натурных наблюдений данных и возможности оценки вклада стационарных источников в загрязнение воздушного бассейна.

Практическая значимость работы заключается в использовании материалов исследования Управлением экологии Комитета городского обустройства администрации г. Иркутска для принятия конструктивных мер по улучшению экологической обстановки г. Иркутска; ФГБУН «Институт географии им В.Б. Соча-вы» СО РАН для составления экологических атласов г. Иркутска и озера Байкал;

ЗАО «Восточно-Сибирский трест инженерно-строительных изысканий» для анализа уровней загрязнения атмосферного воздуха в районах проведения инженерно-экологических изысканий; а также Иркутским государственным университетом для подготовки лекционных курсов по дисциплинам: «Экологический мониторинг», «Промышленная экология», «Математическое моделирование в задачах охраны окружающей среды», что подтверждено актами о внедрении. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Климатические условия Иркутской области в зимний период не благоприятствуют рассеянию выбросов, поступающих в атмосферный воздух от стационарных источников промышленных предприятий, наиболее благоприятными для рассеяния являются весенние месяцы, что подтверждается моделированием климатических эллипсов рассеяния.

2. На селитебных территориях Иркутской области концентрации ряда загрязняющих веществ в 10-20 раз превышают установленные для них нормативы, что подтверждается расчетами по эмпирической математической модели и картированием территории исследования по величине абсолютных концентраций.

3. Продолжительность воздействия на живые организмы загрязняющих веществ, концентрации которых превышают гигиенические нормативы, достигает 600-700 часов в месяц, что подтверждается расчетами по полуэмпирической математической модели и картированием территории исследования по частоте превышения гигиенических нормативов.

4. Существующая схема расположения постов слежения за загрязнением атмосферного воздуха на территории области осложняет выявление вклада стационарных источников в загрязнение атмосферного воздуха, контроль полноты выполнения мероприятий при неблагоприятных метеорологических условиях, а также нарушений в соблюдении установленных для предприятий предельно-допустимых выбросов, что подтверждается исследованием однородности натурных данных и сравнительным анализом с результатами расчета.

Достоверность полученных результатов обоснована:

большими массивами используемых данных 8-срочных метеорологических наблюдений (1995-2014 гг.), обеспечивающих устойчивость климатических характеристик по рассматриваемым сезонам;

применением в исследовании двух апробированных моделей: 1) эмпирической модели (на основе ОНД-86); 2) математической модели, основанной на решение уравнения переноса и турбулентной диффузии примеси с замыканием на интегральную функцию распределения двумерного вектора скорости ветра;

установлением качественной и количественной близости расчетных характеристик с имеющимися данными натурных наблюдений пунктов слежения за загрязнением атмосферного воздуха;

научными публикациями и актами о внедрении.

Вклад автора. Автором создан массив данных 8-срочных наблюдений 22 гидрометеорологических станций Иркутской области за период 1995-2014 гг., проведена их статистическая обработка, по результатам которой сделаны выводы

о рассеивающей способности атмосферы рассматриваемой территории. Создана база инвентаризационных данных стационарных источников промышленных предприятий, расположенных на территории Иркутской области. По математическим моделям проведены расчеты: 1) абсолютных концентраций ингредиентов; 2) продолжительности воздействия на окружающую среду превышающих нормативы поллютантов. На основе полученных данных проведено картировании территории исследования по уровню загрязнения воздушного бассейна. Проведен сравнительный анализ полученных расчетных данных с данными, фиксируемыми на постах слежения за загрязнением атмосферы. Автором лично получены все основные практические результаты работы.

Апробация работы. По теме диссертации опубликованы 23 работы, 6 из них – в журналах из списка ВАК, 2 – в журнале Scopus.

Отдельные результаты диссертации докладывались на 19 российских и международных конференциях, среди которых:

5. I Международная научно-практическая конференция «Глобальное измерение в современной науке и образовании» (Ростов-на-Дону, 2011);

6. Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ аспирантов в области наук о Земле (Томск, 2012);

7. VII школа-семинар молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона» (Улан-Удэ, 2013);

8. XXVI Международная научно-практическая конференция «Экология. Производство. Общество. Человек» (Пенза, 2014);

9. Международная научно-практическая конференция «Инновационная наука и современное общество» (Уфа, 2015);

10. VII Международная российско-германская летняя школа «Ecology of large water bodies and their watersheds» («Экология крупных водоемов и их водосборных бассейнов») (Иркутск, 2015);

11. 16^th International Multidisciplinary Scientific GeoConferences SGEM «The 16^th Geoconference on energy and clean technologies» (Болгария, 2016).

Работа получила поддержку 11 грантов, среди которых:

12. Грант 2012-09-01 для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов и молодых сотрудников ИГУ «Загрязнение атмосферного воздуха промышленными предприятиями г. Иркутска», 2012 г.;

13. Грант 091-14-220 для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов и молодых сотрудников ИГУ «Загрязнение атмосферного воздуха промышленными предприятиями, расположенными на территории Иркутской агломерации», 2014 г.;

14. Грант РФФИ 16-35-00185 Моделирование распространения антропогенных примесей, поступающих от стационарных источников промышленных предприятий Иркутской области в атмосферный воздух, 2016-2017 гг.

Автором получено 4 акта о внедрении результатов диссертационного исследования, выданных ЗАО «ВостСибТИСИЗ», Управлением экологии комитета городского обустройства администрации г. Иркутска, ФГБУН Институт географии

им. В.Б. Сочавы СО РАН, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет».

Структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав с выводами к каждой главе, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 183 страницы текста, включая 40 таблиц, 57 рисунков и список литературы – 198 наименований.

Нормирование качества атмосферного воздуха в Российской Федерации и зарубежных странах

Любое антропогенное воздействие человека на окружающую среду следует ограничивать таким образом, чтобы природные системы могли справляться с оказываемым на них давлением. Для исследования по оценке атмосферного загрязнения одним из важных аспектов является выбор гигиенического критерия, определяющего величину допустимого воздействия.

Основная цель нормирования качества окружающей среды – разработка допустимых критериев антропогенного воздействия, которые бы гарантировали экологическую безопасность настоящего и будущих поколений [55, 56, 57, 58]. К таким критериям относят, прежде всего, предельно допустимую концентрацию загрязняющего ингредиента (ПДК) [59, 60].

В отношении атмосферного воздуха термин «предельно допустимая концентрация» можно определить как отнесенная к определенному времени осреднения максимальная концентрация, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает ни на него, ни на окружающую среду в целом вредного влияния [61].

В сфере разработки нормативов качества атмосферного воздуха Россия является одним из лидеров и имеет более чем 70-летнюю историю, за которую произошло формирование и становление стандартов качества атмосферы. Теоретические разработки ПДК веществ в атмосфере началась в 1949 г., в 1952 г. в Минздраве СССР была создана Комиссия по практической разработке ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест [56]. Перечень веществ, для которых установлены ПДК, постоянно расширялся и к настоящему времени содержит более 600 наименований, для сравнения первоначально ПДК были установлены только для шести загрязняющих веществ.

Нельзя сказать, что работа в области нормирования в настоящий момент остановилась, значения предельных концентраций корректируются и изменяются специально уполномоченными органами. Так, в 2006 г. норматив максимально-разовой ПДК для диоксида азота был установлен на уровне 0,2 мг/м3, до этого времени действовал норматив равный 0,085 мг/м3. В 2014 г. был уточнен класс опасности формальдегида, теперь это вещество относится не к 1-му, а ко 2-му классу опасности, а величина ПДК составляет: максимально-разовая – 0,05 мг/м3, среднесуточная – 0,01 мг/м3 [62]. Таким образом, работа по корректировке нормативов в РФ направлена не на их ужесточение, а на ослабление.

В настоящее время качество атмосферного воздуха в Российской Федерации нормируется посредством использования трех основных видов предельных допустимых концентраций: максимально-разовой (ПДКм.р.), среднесуточной (ПДКс.с.) и рабочей зоны (ПДКр.з.). Различие этих видов нормативов заключается, во-первых, во временном интервале, в течение которого воздействие вещества не принесет негативных последствий, во-вторых, территории, для которой они применяются [63].

Так ПДКм.р. в настоящее время используется в качестве приоритетного норматива при расчетах уровней загрязнения, предельных допустимых выбросов от промышленных предприятий, расчете и установлении границ са-нитарно-защитных зон. Данная концентрация не должна вызывать у человека реакций со стороны верхних дыхательных путей при воздействии продолжительностью 20-30 минут [58, 64, 65, 66]. ПДКс.с. отличается от ПДКм.р. тем, что не должна оказывать на человека, а также окружающую среду негативных влияний на протяжении долгого периода времени. Как правило, устанавливается и используется для оценки качества атмосферного воздуха селитебных территорий [58, 64, 65].

Исходя из вышеприведенных определений, можно утверждать, что ПДКс.с. является наиболее жестким нормативом, поскольку рассчитан на все группы населения и на неограниченно долгий период воздействия вредных веществ. В то же время стоит отметить, что название норматива «среднесуточная концентрация» не означает, что период воздействия составляет 24 часа. В стандарте речь идет о неограниченно долгом (годы) периоде воздействия, а значит ПДСс.с. ближе к нормативам с годовым периодом осреднения. В ряде работ, опубликованных специалистами НИИ «Атмосфера» используется такая величина как среднегодовая ПДК (ПДКсг), которая получена расчетным путем с использованием коэффициентов перевода. Однако в настоящее время среднегодовые ПДК не являются законодательно утвержденными. Наряду с нормированием загрязнения атмосферного воздуха населенных мест (ПДКм.р. и ПДКс.с.), осуществляется нормирование загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны. Для этого используется норматив предельно допустимая концентрация рабочей зоны (ПДКр.з.) [67, 68].

Особенности рельефа Иркутской области

В целях исследования распространения загрязняющих веществ и их пространственного изменения рекомендуется проводить регулярные измерения концентраций в воздушной среде на территории исследования, с достаточно малым шагом, не превышающим нескольких километров, и на основе полученных экспериментальных данных представляется возможным составить карты загрязнения атмосферы. Однако эта задача является трудновыполнимой. Поэтому наиболее приемлемым методом для построения полей концентраций являются методы математического моделирования.

Вопросам исследования загрязнения атмосферного воздуха, основанным на применении различных математических моделей, посвящены работы, как отдельных исследователей, так и научных коллективов. Среди таких работ можно выделить работы А.Е. Алоян [109], занимающегося вопросами моделирования распространения примесей и аэрозолей в атмосфере; В.К. Аргучинцева, А.В. Аргучинце-вой [110, 111], рассматривающих в своих работах модели и методы для решения задач охраны атмосферного воздуха, а также изучающие вопросы моделирования переноса антропогенных примесей в атмосфере на основе авторских моделей; М.Е. Берлянда [9, 10], освещающего вопросы атмосферной диффузии, прогноза и регулирования загрязнения атмосферы; А.И. Бородулина и др. [112], использовавших трехмерные численные модели для изучения воздушных течений, с которыми переносятся пассивные примеси; С.В. Губарева [113], исследовавшего рассеяние загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы на основе имитационной модели на базе метода клеточных автоматов; А.С. Гаврилова [114, 115, 116, 117, 118], применявшего гидротермодинамические численные модели, 3D численные модели, модели МАГАТЭ для исследования негативное воздействие градирен на окружающую среду, лесных пожаров, переноса и рассеяние радионуклидов в атмосфере; С.П. Дударова и др. [119], моделировавших процессы на основе ячеечно-нейросетевой модели; В.Б. Киселева и др. [120], модифицировавших эйлерово-лагранжеву схему моделирования переноса загрязняющих веществ; К.Я. Кондратьева [121], занимавшегося вопросами численного моделирования на основе трехмерной модели переноса и химического превращения; К.А. Муравьёва [122], использовавшего нейросетевой метод для исследования загрязнения атмосферы; М.И. Нахаева и др. [123], рассчитавшего концентрации оксида углерода и взвешенных веществ с диаметром частиц менее с использованием моделей CHIMERE и COSMO-RU7; А.В. Нестерова и др. [124], смоделировавших вторичный перенос загрязняющих веществ между средами (почва-атмосфера); Р.Б. Ну-термана и др. [125], осуществившие численное моделирование переноса примеси на основе усредненного по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса в условиях неоднородного рельефа; В.М. Панарина и др. [126], разработавших программу, реализующую модифицированную гауссову модель переноса загрязняющих веществ; И.Е. Полоскова и др. [127], применяющих стахостическое моделирование для исследования переноса загрязняющих веществ в атмосфере; В.В. Пененко [19], работавший над моделью переноса и трансформации загрязняющих веществ; А.Н. Пшинько и др. [128], разработавших 2D численную модель, позволяющую спрогнозировать уровни загрязнения атмосферного воздуха, учитывая орографию; Пьяновой Э.А. [129], решившей прикладную задачу для воздушного бассейна территории Прибайкалья, заключающуюся в применение методов численного моделирования; В.Ф. Рапуты и др. [130], разработавших модель исследования загрязнения выбросами от площадных источников непрерывного действия; Д.А. Тархова и др. [131], освещающих вопросы нейросетевого моделирования; Е.А. Чихонадских [132], исследовавшей уровни сезонных и годовых загрязнений. В целом все использованные в вышеописанных исследования модели можно подразделить на три групп: эмпирические, теоретические и полуэмпирические [133]. Рассмотрим каждую группу моделей:

I эмпирические модели аппроксимируют данные о параметрах состояния си стемы и влияющих на нее факторах, полученные экспериментально. В то же вре мя строение самой системы и внутренние механизмы связей в ней не представля ют интереса. Эмпирические модели, основанные на явных формулах, либо вооб ще не учитывают, либо сильно упрощают физику процессов. Эмпирическими мо делями являются модели ГГО им. А.И. Воейкова для расчета при неблагоприят ных метеорологических условиях концентраций, превышающих нормативы (как правило, ПДКм.р.); стандартные модели на основе ОНД-86; модели авторегрессии для нахождения значений концентраций на основе данных предыдущих измере ний [134]; гидротермодинамическая модель А.С. Гаврилова [135].

II Теоретические модели учитывают общие априорные представления о процессах и явлениях, составляющих систему, а также ее структуре и механизмах связей в ней. В теоретических моделях физику процессов можно описать с помо 42 щью уравнений, которые используются для замыкания задачи. В то же время количество этих уравнений может быть большим, что усложняет решение с математической точки зрения и с точки зрения использования машинных инструментов.

III полуэмпирические модели, основанные на численном решении дифференциальных уравнений в частных производных, позволяющие проводить анализ сложных ситуаций и тем самым объединять результаты разнородных экспериментов. Полуэмпирические модели учитывают законы движения воздуха и диффузии, подъем нагретых выбросов, осаждения тяжелых частиц, вымывание примесей осадками, в то же время используются различные упрощения и предположения. К полуэмпирическим относят модели, основанные на решении уравнения переноса и турбулентной диффузии примеси в приземном слое атмосферы, в частности модели МАГАТЭ. Также к данной группе относят модели с искусственным интеллектом, которые имеют возможность адаптироваться к изменяющимся природным условиям, а также использовать современные ЭВМ, моделирующие работу человеческого мозга. Также считается, что полученные в результате расчетов данные легче интерпретировать исследователю. Среди моделей с искусственным интеллектом выделяют модели с нечеткой логикой, нейросетевые модели, модели с гибридными интеллектуальными структурами [136, 137, 138, 139].

Модели расчета уровней загрязнения атмосферного воздуха

В этих населенных пунктах расположены крупные промышленные объекты, такие как: ОАО «Саянскхимпласт» (г. Саянск), Ново-Зиминская ТЭЦ (г. Зима), Братский алюминиевый завод (г. Братск), угольные разрезы Черемховуголь и Азейский (г. Черемхово и г. Тулун соответственно), ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» (г. Ангарск), Иркутский алюминиевый завод (г. Шелехов), Научно-производственная корпорация Иркут (г. Иркутск) и другие промышленные предприятия. Общее число учтенных в расчетах стационарных источников составило 20 000. Расчет проводился по более 100 загрязняющим веществам, выбрасываемым данными источниками. Таким образом, наибольший вклад (до 80 %) в выбросы загрязняющих веществ в воздушный бассейн Иркутской области вносят стационарные источники объектов теплоэнергетики, предприятий алюминиевой и химической промышленности, общим количеством около 20 000, расположенные на территории крупных промышленных центров, среди которых гг. Иркутск, Ангарск, Братск, Шеле-хов. Общее количество поступающих в атмосферу веществ составляет порядка 100 наименований, из которых продукты сгорания топлива (диоксид азота и серы, оксид углерода) являются преобладающими по массе ежегодного поступления в атмосферный воздух.

Методика ОНД-86 является утвержденной на государственном уровне и используется при осуществлении нормативных расчетов, как на стадии проектирования, так и на этапах функционирования предприятий, имеющих источники поступления загрязняющих веществ в атмосферный воздух.

Методика позволяет рассчитать максимальную приземную концентрацию загрязняющего вещества (мг/м3, доли ПДК):

AMF На основе представленной выше формулы, входные данные, используемые для расчетов, можно разделить на группы: I. Параметры источников выбросов: И (м) - высота источника; D (м) - диаметр устья источника выброса; w0 (м/с) - средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника; V± Cw3 /е) - объем газовоздушной смеси исходящей от источника загрязнения; . Тг (0С) - температура выбрасываемой газовоздушной смеси; М (г/с) - количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, имеющее место в течение года при установленных условиях эксплуатации предприятия. II. Метеорологические параметры: А - коэффициент учета температурной стратификации, варьирующийся в пределах от 140 до 250 и зависящей от территории, для которой производится расчет (в данных расчетах использовалось значение, принятое для территории Восточной Сибири и равное 200); Те - температура окружающего атмосферного воздуха (принимаются значения средней многолетней максимальной или минимальной температуры самого жаркого или холодного месяца в году, в зависимости от временного периода, для которого производится расчет); Скорости ветра - расчет производится для интервала скоростей от 0,5 м/с до скорости, превышаемой на данной территории в среднем многолетнем режиме в 5 % случаев; Роза ветров или среднегодовая повторяемость направлений ветра. II. Параметры, определяющие условия распространения загрязняющих веществ: – коэффициент, учитывающий скорость осаждения вредных веществ в атмосферном воздухе. Значение данного коэффициента зависит от агрегатного состояния вещества, степени очистки выбросов на конкретном предприятии и ва рьируется от 1 (газообразные вещества) до 3 (крупнодисперсная пыль, зола, от сутствие очистки или степень очистки менее 75 %); т,п безразмерные коэффициенты, определяющие тип выбрасываемой примеси (нагретая или охлажденная относительно окружающей среды), а также учитывающая условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; Т\- безразмерный коэффициент, учитывающий орографию территории ис следования, диапазон изменения которого от 1 до 4 [183]. В качестве критерия качества атмосферного воздуха методикой и реализующими ее программами предлагается использование ПДКмр. Однако осуществля 65 емые нами расчеты предполагают оценку качества атмосферного воздуха селитебных территорий, подверженных воздействию выбросов от постоянно действующих стационарных источников промышленных предприятий, большая часть которых расположена непосредственно в границах городов, поэтому ПДКм.р. была заменена ПДКс.с., установленной для мест проживания населения.

В ряде работ [43, 184] отмечалось, что методика ОНД-86 обладает определенными недостатками, позволяющими рассматривать результаты скорее как качественные, чем количественные. Высказанные авторами замечания касались некорректного учета стратификации, что обосновывалось применением одного значения коэффициента для слишком большой территории. Также отмечалось, что применение коэффициентов гравитационного осаждения частиц и рельефа местности только лишь искусственно завышает полученные результаты, а не учитывает особенности веществ и местности. В качестве другого недостатка выделена симметричность расчета, которая проявляется в получении одинаковых значений концентраций в симметричных узлах расчетной сетки, что нашло подтверждение при проведении расчета для одиночного источника Ново-Иркутской ТЭЦ, расположенной на территории г. Иркутска (табл. 2.1, рис. 2.11).

На основе высказанных ранее замечаний и проведенных расчетов можно сделать вывод, что применение данной методики оправдано, в большей части, при расчетах для штилевых ситуаций, либо скоростей ветра не превышающих 1-2 м/с.

В данной работе, в качестве расчетных, автором выбраны зимний и летний периоды. Как уже было отмечено в главе 2.1, зимние месяцы на территории Иркутской области характеризуются большой повторяемостью штилевых ситуаций, малыми скоростями ветра, поэтому применение данной методики оправдано для данного периода.

Расчетные абсолютные концентрации загрязняющих веществ, создаваемые выбросами стационарных источников промышленных предприятий Иркутской области

На стационарных постах наблюдения проводятся по полной программе, а на маршрутных постах – по сокращённой программе. Проводить наблюдения по полной программе в г. Иркутске на маршрутных постах, к сожалению, нет возможности, так как не хватает материальных средств и рабочих ресурсов. Из годовых наблюдений обычно выпадают данные наблюдений в выходные дни, зимние каникулы и летний период, совпадающий с периодом отпусков. Наиболее полные наблюдения проводятся всегда на основной метеостанции.

В диссертационном исследовании использовались данные натурных наблюдений только со стационарных постов за шестнадцатилетний период с 2000 по 2015 гг., по двум, представляющим наибольший интерес, месяцам: декабрь и июль.

Анализ концентраций загрязняющих веществ проводился по 104 таблицам ТЗА-18. Для наглядности анализа данных натурных наблюдений были построены и проанализированы 768 графиков и 32 диаграммы изменения концентраций определяемых ингредиентов в течение выбранных месяцев по всем срокам наблюдения. Приведем данные по некоторым веществам.

Наблюдения за концентрациями пыли на территории г. Иркутска проводятся на постах, расположенных в районе Сквера Кирова, микрорайоне Академгородок, Ново-Ленино и на метеорологической площадке Иркутского УГМС.

Анализ данных, характеризующих уровни концентраций, показал, что за рассматриваемый период (2000-2015 гг.) чаще всего превышения гигиенического норматива (ПДКс.с.) пыли наблюдались на ПНЗ-2 (Сквер Кирова), повторяемость которых составила 73 % от общего числа измерений. Далее по частоте превышения следует пост наблюдений, расположенный в микрорайоне Академгородок – 58 %, в микрорайоне Ново-Ленино – 56 %, на площадке УГМС – 37 %, (рис. 3.22) [197].

На основе данных дискретных измерений концентраций на ПНЗ-2 в 7, 13 и 19 часов местного времени, а также данных непрерывных автоматических наблюдений, расчитаны средние концентрации пыли и построены графики динамики усредненных значений (рис. 3.23, табл. В.1). ПНЗ-2 73%

Для оценки точности отражения уровней концентраций средними значениями были рассчитаны средние квадратические отклонения, а также коэффициенты вариации (см. табл. В.1).

Согласно проведенному расчету и анализу величин коэффициента вариации, выявлена неоднородность практически во все сроки наблюдений, за исключением данных измерений, полученных в декабре 2012, 2013, 2014 гг. в 7.00 (значение коэффициента вариации составило 32 %). Сильной неоднородностью характеризуется 2012 г., во все анализируемые сроки наблюдений коэффициент вариации превысил значение 100 %, о чем также свидетельствуют средние квадратические отклонения. Это связано с единичными, значительно превышающими нормы, значениями концентраций, к примеру, в 2012 г. при средней концентрации в 19.00, равной 0,14 мг/м3, максимальное значение концентрации составило 0,9 мг/м3 и имело место 1 раз за 23 проведенных измерения. Кроме того, данная величина концентрации пыли, превысившая ПДКс.с. в 6 раз, а ПДКм.р. почти в 2 раза, является абсолютным максимумом в декабре за рассматриваемый период (рис. 3.24). В июле максимальное значение концентрации пыли составило 1 мг/м3 (6,7 ПДКс.с. или 2,0 ПДКм.р) и наблюдалось в 2008 г. [197]. Повторяемость максимума в июле, в отличие от декабрьского максимума, составила 4 раза, при значении коэффициента вариации не превышающего 63 %.

В целом динамика концентраций и значительные их колебания зависели как от изменения метеорологических условий, так и от флуктуаций массы выброса стационарных источников промышленных предприятий. К примеру, увеличение средних концентраций в декабре 2008 и 2009 гг. по сравнению с 2007 г. может быть объяснено аномалиями температур, которые оказались ниже многолетних значений на 1-1,5 С, 4-8 С соответственно, а количество осадков, способствующих самоочищению было на 30 % ниже нормы. В связи с этим объекты теплоэнергетики увеличили мощности работы, что отразилось на общей динамики выбросов, масса которых увеличивалась с 18,2 до 58,5 тыс. т.

В июле резкие увеличения уровней концентраций, в частности в 2007 и 2008 гг. также связаны с погодными аномалиями: в 2007 г. на весь период наблюдений установилась не способствующая самоочищению засушливая погода с температурами 25-32 С; в 2008 г. температуры июля превысила средние многолетние значения в 1,5 С, количество осадков составило 70-100 мм, что ниже нормы [197].

В отдельные периоды наблюдений как средние, так и абсолютные максимальные концентрации пыли в летний период (июль) превышали значения в декабре (см. рис. 3.23), что на первый взгляд противоречит расчетным данным, показавшим, что концентрации и частота превышения загрязняющих веществ, поступающих от промышленных предприятий, в летний период ниже зимнего. Это объясняется тем, что посты наблюдений на территории г. Иркутска располагаются вблизи автодорог и к массе атмосферной пыли и пыли, поступающей от промышленных предприятий, добавляется пыль от автотранспорта и дорожная пыль, что способствует созданию концентраций, превышающих гигиенические нормативы. К тому же, в зимние месяцы основная масса пыли осаждается на снежном покрове, а в летние месяцы вместе с воздушными потоками циркулирует в атмосфере. Что также может быть одной из причин неоднородности данных наблюдений.

Стоит отметить, что численное сравнение расчетных данных и данных наблюдений по пыли затруднено по ряду причин: 1) моделирование осуществлялось дифференцированно для различных видов пыли, к примеру, с различным содержанием кремния, соответственно различными были и нормативы; 2) на постах наблюдений фиксировались интегральные значения пыли, для которых использовался норматив ПДКс.с.=0,15 мг/м3. Подобный норматив используется для нормирования содержания пыли неорганической с содержанием кремния менее 20 %.