Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор исследований качества воздушной среды крупных промышленных центров 11
1.1. Основные понятия и методы оценки качества воздушной среды 11
1.2. Обзор исследований по оценке качества воздушной среды крупных промышленных центров 17
2. Эколого-географическая характеристика г. Саратова 23
2.1. Физико-географические условия 24
2.2. Метеорологические условия и микроклиматические особенности 32
2.3. Характеристика антропогенного воздействия на воздушную среду 41
2.3.1. Классификация выбросов и их источников 42
2.3.2. Количественные данные по выбросам в окружающую среду от стационарных источников 49
2.3.3. Техногенное воздействие на природный ландшафт
и специфика градопланировочной структуры 51
2.3.4. Характеристика выбросов автотранспорта 56
2.3.5. Расположение пунктов наблюдения за загрязнением атмосферы г. Саратова 59
3. Оценка экологического состояния атмосферы крупного промышленного центра 66
3.1. Методика региональной оценки экологического состояния атмосферы крупного промышленного центра 66
3.2. Пространственно-временные изменения уровня загрязнения воздушной среды 69
3.2.1. Динамика среднегодовых концентраций вредных веществ
3.2.2. Годовой ход средних концентраций примесей в разные пятилетние периоды 77
3.2.3. Годовой ход концентраций примесей в различных районах города 81
3.2.4. Динамика средних концентраций загрязняющих веществ в течение суток 88
3.3. Исследование максимального уровня загрязнения атмосферы и его распределения по территории 94
3.4. Комплексная оценка уровня загрязнения воздуха в г. Саратове 98
3.4.1. Характеристика фонового загрязнения атмосферы 98
3.4.2. Комплексный индекс загрязнения атмосферы 100
3.5. Исследование метеорологического потенциала самоочищения атмосферы. 102
3.5.1. Изучение влияния метеорологических условий на уровень загрязнения атмосферного воздуха 102
3.5.2. Задерживающие слои в пограничном слое атмосферы 113
3.5.3. Расчет коэффициента самоочищения атмосферы 116
4. Расчетный мониторинг загрязнения воздушной среды г. Саратова 125
4.1. Модели расчетного мониторинга 125
4.2. Расчетные условные максимальные концентрации примесей в атмосфере 133
4.3. Пространственное распределение расчетных концентраций загрязняющих веществ 137
4.4. Расчетный мониторинг загрязнения воздуха выбросами автотранспорта 140
Практические рекомендации 143
Заключение 144
Список использованной литературы
- Обзор исследований по оценке качества воздушной среды крупных промышленных центров
- Характеристика антропогенного воздействия на воздушную среду
- Динамика среднегодовых концентраций вредных веществ
- Пространственное распределение расчетных концентраций загрязняющих веществ
Обзор исследований по оценке качества воздушной среды крупных промышленных центров
Успешное сохранение окружающей среды возможно только при условии получения необходимых достоверных данных о состоянии природных объектов, источников антропогенного воздействия, экологических систем, природно-технических комплексов и т. д. Для сбора и анализа такой информации, а также для прогнозирования ситуации создаются системы мониторинга состояния окружающей среды, научные основы которого были разработаны Ю.А. Израэлем [54, 55]. Основные функции и структура систем мониторинга рассмотрены в работах Э.Ю. Безуглой [10, 14, 15], Д.О. Горелика и Л.А. Конопелько [47], И.И. Потапова [109], Ф.Я. Ровинского [118] и других ученых. Обзор методов и средств контроля и регулирования, используемых в охране окружающей среды, произведен А.Н. Лебедевой и О.Л. Лаврик [82].
Методическое руководство работами по организации контроля и наблюдений за состоянием загрязнения атмосферы осуществляется Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова. Широкий комплекс теоретических и экспериментальных исследований закономерностей распространения примесей в атмосфере был выполнен Н.С. Бурениным, Е.Л. Гениховичем, Б.Б. Горошко, Р.И. Оникулом и другими под руководством М.Е. Берлянда [9]. Полученные результаты использованы для создания научных основ организации сети станций. Основные принципы организации системы наблюдений в городах изложены в работах А.С. Зайцева и И.А. Янковского [53], Б.Б. Горошко и Т.А. Огневой [48]. Кроме того, в ГГО разработаны программы наблюдений, методики отбора проб и определения концентраций пыли и газовых компонентов в атмосфере. На основе проведенных исследований составлено Руководство по контролю загрязнения атмосферы [119]. При количественных оценках загрязнения используется Общегосударственный нормативный документ (ОНД-86) [91]. Накопленная информация позволяет проводить климатологическое обобщение данных. Климатологические исследования загрязнения воздушной среды городов развиваются по двум направлениям. Первое связано с непосредственными наблюдениями за содержанием вредных веществ в атмосфере и с обобщением данных наблюдений для получения объективной информации об уровнях загрязнения воздуха городов, а также с изучением особенностей распространения вредных веществ, их временной и пространственной изменчивости. При этом из сложных и многообразных изменений выявляются общие закономерности для городов, расположенных в различных физико-географических условиях. Результаты таких исследований используются при организации работ по контролю загрязнения атмосферы, при осуществлении градостроительных мероприятий, при планировании взаимного размещения промышленных комплексов и жилых массивов, разработке атмосфероохранных мероприятий.
В настоящее время имеется обширная литература, посвященная результатам измерений концентраций вредных веществ в городах различных стран [163, 164, 169, 170]. В перечисленных работах приводятся данные о среднем и максимальном уровнях загрязнения воздуха или отдельные значения концентраций.
Второе направление включает изучение метеорологических факторов, определяющих условия переноса и рассеивания примесей, а также вымывания их из атмосферы. Кроме того, изучение метеорологических аспектов загрязнения воздуха включает моделирование и анализ распространения примесей от источников различного типа, нормирование выбросов от промышленных объектов и автотранспорта, разработку и совершенствование системы и средств мониторинга.
Большое значение для развития этого направления имеют теоретичес 19 кие исследования М.Е. Берлянда. В них рассматриваются такие проблемы, как изучение процессов атмосферной диффузии [21], исследование различных факторов, оказывающих влияние на загрязнение воздуха (ветрового режима, туманов, рельефа и т.д.) [26, 28], разработка методов расчета пространственного распределения вредных веществ [24, 25] и многие другие [22, 23, 27]. Кроме того, М.Е. Берляндом проведено обобщение работ в области прогноза и регулирования загрязнения атмосферы [20].
В работах Э.Ю. Безуглой содержатся результаты исследований климатических характеристик, определяющих рассеивающую способность воздушной среды (в том числе температурных инверсий, скорости и направления ветра [11]), методы интегральных оценок и статистического анализа данных наблюдений [10], представлена методика оценки метеорологического потенциала загрязнения атмосферы [9], совместно с Е.К. Завадской произведен анализ влияния низкого качества воздуха на здоровье человека [12].
Л.Р. Сонькин уделяет значительное внимание синоптико-статистическому анализу данных о содержании вредных веществ и основанным на нем численным методам прогноза [134], а также исследованию метеорологических условий опасного загрязнения воздушной среды города [132, 133, 135].
В настоящее время во многих странах все большее значение приобретает расчетный мониторинг загрязнения атмосферы в городах, промышленных районах, на региональном и общегосударственном уровнях [166, 171]. Это, прежде всего, обусловлено развитием и широким внедрением методов математического моделирования процессов переноса, рассеивания и трансформации атмосферных примесей, выбрасываемых из источников различного типа. В работе Р.И. Оникула [99] расчетным мониторингом, по аналогии с экспериментальным, названы регулярные работы по определению пространственно-временных характеристик загрязнения воздуха, но на основе расчетов по математическим моделям переноса и турбулентной диффузии атмосферных примесей с использованием данных инвентаризации параметров источников выброса, а также климатических и метеорологических характеристик. Данные расчетного мониторинга, так же как и экспериментального, требуются, прежде всего, для проведения официальных научно обоснованных оценок степени гигиенической и экологической неблагоприятности состояния воздуха, оценки необходимого комплекса атмосфероохранных мероприятий и решения ряда других экологических задач. По сравнению с экспериментальным расчетный мониторинг требует существенно меньших затрат, позволяет охватить довольно большой перечень вредных веществ, обеспечивая достаточную пространственно-временную детализацию расчетных концентраций [99, 102].
Исследования атмосферных загрязнений, их распределения и диффузии являются основой для нормирования количества вредных выбросов и разработки защитных мероприятий при проектировании промышленных предприятий.
Характеристика антропогенного воздействия на воздушную среду
Проблемам чистоты атмосферного воздуха в последние годы уделяется повышенное внимание. Антропогенные загрязнения атмосферы, в отличие от природных, концентрируются на сравнительно небольших участках земной поверхности (в промышленных районах, городских агломерациях). В сельской местности загрязненность атмосферы в среднем в 10 раз, а в промышленных городах в 150 раз выше, чем над океаном. В городах с населением свыше 500 тыс. жителей концентрация наиболее распространенных токсикантов в 1,5-2 раза выше, чем в небольших населенных пунктах [16].
По данным Росгидромета более чем в 200 городах России концентрация вредных веществ в атмосфере превышает допустимый уровень, причем в 80 из них (где проживает около 40 млн. человек), этот показатель превышен в 10 и более раз. Среди них такие крупные города как Братск, Екатеринбург, Иркутск, Кемерово, Красноярск, Новокузнецк, Норильск, Череповец [96].
Исследование качества воздуха в 34 крупнейших городах России показало, что в 16 из них наблюдается очень высокий уровень загрязнения атмосферы. К их числу относится и Саратов [65].
Изменения состояния окружающей среды связаны с воздействием на нее загрязняющих веществ, поступающих от промышленных предприятий и автотранспорта в атмосферу, гидросферу и почву. Объемы выбросов зависят от режима и интенсивности работы предприятий, их технологических особенностей, количества и состояния автотранспортных средств, напряженности их движения, состава используемого топлива. На объемы загрязнений может влиять состояние природоохранного оборудования, режим его работы, эффективность использования.
В атмосферу урбанизированной территории поступает около 80 % всех загрязняющих веществ от стационарных и передвижных источников [14].
Выбросы разделяют на три основные группы: организованные, неорганизованные и распределенные. Организованные обычно производятся из труб промышленных предприятий. Их характеризуют большая высота, а также значительные концентрации и объемы загрязняющих веществ. К неорганизованным относятся поступления токсикантов в атмосферу из производственных помещений, от небольших котельных, печных труб, концентрация и объем которых существенно меньше, а высота выброса небольшая. Распределенные в основном связаны с транспортом, а также с обработкой сельскохозяйственных территорий ядохимикатами с помощью авиации [47].
Высокие выбросы наносят меньше вреда, чем низкие, потому что разбавляются атмосферным воздухом прежде, чем достигнут поверхности земли. Поэтому причинами неблагоприятной экологической обстановки чаще являются низкие источники. Однако вредные вещества от высоких источников распространяются на значительные расстояния и создают опасность для живых организмов на большой территории [14].
В зависимости от характера производства выбросы могут происходить постоянно или периодически. Значительные периодические выбросы называются залповыми [14].
Наиболее важными характеристиками выбросов считают качественный состав (определяемый технологией производства), их концентрацию и мощность (количество вещества, выбрасываемого в единицу времени).
В Саратове как одном из крупнейших промышленных центров России присутствуют все перечисленные типы выбросов. В таблице 2.1 представлены данные об объемах вредных веществ, поступающих в атмосферу г. Саратова от промышленных предприятий [51, 52, 98, 137, 144]. Таблица 2.1 Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу предприятиями города в 1992 -1999 гг. 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 Количество загрязняющих веществ, тыс. т/год 104,1 111,8 62,831 50,507 47,684 40,748 34,009 26,23
Из таблицы видно, что в последние годы происходит заметное снижение объемов загрязняющих атмосферу веществ (с 1992 по 1999 гг. в 4 раза). Однако важными являются не только количественные показатели, но и сведения о структуре выбросов.
Это можно проследить при сравнении различных регионов России. Например, выброс диоксида азота предприятиями Саратова соизмерим с показателями республики Карелия в целом, однако эмиссия диоксида серы составляет около 10 % от объема выброса этой примеси в атмосферу этого региона [117]. В Приморском крае среди загрязнителей преобладают твердые вещества (48 %) и диоксид серы (32 %), что в несколько раз выше тех же показателей в Саратове [127]. Следовательно, выявление наиболее опасных загрязнителей должно осуществляться с учетом региональных особенностей промышленности.
Значительное количество исследований посвящено оценке влияния токсикантов на состояние воздушной среды [39, 41, 65, 82, 94, 103, 116, 124, 139, 158, 170]. В зависимости от вида источников и масштаба выбросов поступающие в атмосферу вредные вещества можно разделить на три группы. К первой относятся пыль, диоксид серы, оксиды углерода и азота, которые образуются при сжигании топлива. По данным [127, 163], 86 % всех выбросов приходится на долю этих соединений. Вторую группу составляют свинец, кадмий и ртуть, являющиеся наиболее токсичными веществами. В третью группу входят специфические вредные вещества и их соединения (бензапирен, ксилол, аммиак и др.), содержащиеся в выбросах ограниченного числа производств. Номенклатура этих соединений велика, но в каждом конкретном городе она зависит от структуры промышленного комплекса.
Динамика среднегодовых концентраций вредных веществ
Многолетняя динамика концентраций загрязняющих веществ в атмосфере чаще всего характеризуется наличием двух составляющих -постепенным изменением среднегодовых уровней загрязнения воздуха и их случайными отклонениями [127]. Анализ реального хода этих параметров в некоторых городах России показал, что в их динамике отмечается либо небольшое убывание (например, изменение концентраций диоксида серы в Казани, Москве и Тольятти в 1988-1997 гг.), либо незначительное возрастание (например, содержание диоксида азота в атмосфере Воронежа в те же годы). В ряде случаев наблюдалась разная динамика, в частности, в Новокузнецке увеличение концентраций диоксида азота (1988-1990 гг.), их снижение (1991-1993 гг.) и снова повышение (1994 г.) [65]. Так как основным источником загрязнения атмосферы в городах являются выбросы промышленных предприятий и автотранспорта, то может быть несколько причин такого рода изменений среднегодовых показателей. Во-первых, падение объема производства приводит к уменьшению выбросов и уровня загрязнения атмосферы, рост количества автотранспорта вызывает ухудшение состояния окружающей среды. Во-вторых, наращивание мощности очистных сооружений и переход на малоотходные и безотходные технологии приводят к уменьшению объема выбросов и снижению концентраций примесей. Естественно предположить, что совместное влияние двух таких противоположно действующих факторов определяет многообразие изменения уровней загрязнения воздушной среды. Для оценки изменений состояния атмосферы в Саратове были рассчитаны среднегодовые концентрации различных примесей (таблица 3.1), значения которых, в долях ПДКСХ., приведены на рисунке 3.1.
Из таблицы 3.1 и рисунка 3.1 следует, что концентрации диоксида серы в первой половине исследуемого периода значительно превышали ПДКСС. (2,7-4,7 ИДК) и возрастали до 1989 года. В последующие годы содержание в воздухе этой примеси не превышало ПДКС.С. и постоянно снижалось [102]. По сравнению с другими городами России, особенно расположенными в
Данные относятся к сумме концентраций различных сернистых соединений (включая SO2); с 1991 года изменилась методика химического анализа проб. 1987
Средние концентрации оксида углерода в Саратове постоянно увеличивались и в последние годы превысили допустимый уровень (1,2 ПДК). Таким образом, Саратов наряду с Иркутском, Москвой, Санкт-Петербургом и Хабаровском входит в список городов, воздушная среда которых наиболее загрязнена оксидом углерода.
Содержание в атмосфере города диоксида азота достигло максимума в 1992 году (2,5 ПДК), затем несколько снизилось (около 2 ПДК). Однако для этой примеси также характерна общая направленность к увеличению. Известно, что основным поставщиком этих загрязнителей в атмосферу является автотранспорт, количество которого в городе возросло. В Саратове отмечен один из самых высоких в России уровень загрязнения воздуха диоксидом азота. Кроме того, только в 4 городах наблюдается такой заметный рост среднегодовых концентраций с 1987 по 1999 гг. (в Липецке в 2, в Санкт-Петербурге в 1,5, в Саратове в 2 и в Ульяновске в 3 раза) [65].
Среднегодовые концентрации фенола, фторида водорода и аммиака были максимальными в середине исследуемого периода (2-3 ПДК), затем уменьшились и в последние годы не превышают ПДК. Причиной этого, возможно, является сокращение производства. Однако в среднем за период их значения составляют около 1,5 ПДК, что свидетельствует о достаточно больших объемах выбросов этих примесей в атмосферу [114].
Среднегодовые концентрации формальдегида, отличающегося высокой токсичностью, как правило, превышают ПДК, изменяясь за несколько лет примерно от 1,5 ПДК в 1989 г. до 10 ПДК в 1994 г. (превышение ПДК формальдегида наблюдается в 30 городах России). Источником выброса формальдегида являются промышленные предприятия и в некоторой степени выбросы карбюраторных двигателей автотранспорта.
Саратов включен в список наиболее загрязненных городов РФ (вследствие наличия в атмосфере города высоких концентраций формальдегида и диоксида азота) [65].
Таким образом, можно отметить тенденцию увеличения загрязнений, обусловленных выбросами автотранспорта, и снижения содержания в атмосфере веществ, поступающих от промышленных предприятий. Причем, фактические концентрации первых превышают их предельно допустимые значения, а показатели вторых (кроме формальдегида) в последние годы находятся в пределах, установленных нормативами [114]. Такая ситуация характерна для большинства крупных городов России.
Эти выводы в определенной степени согласуются с данными об объемах некоторых веществ, поступивших в атмосферу в 1992 - 1999 гг. от стационарных источников (таблица 3.2) [137].
Пространственное распределение расчетных концентраций загрязняющих веществ
В последние годы заметно уменьшился СИ для фторида водорода, что связано с мероприятиями по снижению выбросов на ОАО «Саратовстекло». Значения СИ для формальдегида, концентрации которого измеряются с 1991 года, составили от 4 до 7.
Таким образом, из представленных в таблице 3.12 примесей только концентрации диоксида азота можно считать критически опасными для здоровья человека. Снижение показателей специфических веществ, характерных для производственных процессов (фенол, фторид водорода, формальдегид), говорит о том, что в последние годы не происходило аварийных залповых выбросов.
Распределение стандартного индекса по территории города. Значения СИ в разных районах Саратова могут служить характеристикой влияния некоторых промышленных предприятий на состояние воздушной среды, а сравнение СИ для отдельных веществ на разных ПНЗ в определенной степени характеризует месторасположение постов и влияние микроклиматических особенностей на содержание загрязнителей (таблица 3.13).
Из таблицы 3.13 видно, что наибольший СИ для пыли отмечен на ПНЗ-2 и ПНЗ-5, а наименьший на ПНЗ-8. Это можно объяснить различием подстилающей поверхности, на которой установлен ПНЗ. На ПНЗ-8 это газон, а на ПНЗ-2 и ПНЗ-5 асфальтовое покрытие, на котором скапливается пыль.
Максимальные значения концентраций диоксида серы отмечались на ПНЗ-2, расположенном вблизи ТЭЦ-2, нефтехимического (ОАО «Нитрон») и нефтеперерабатывающего (ОАО «Крекинг») предприятий.
Высокие значения СИ ( 10) для диоксида азота в разные годы отмечены в центре города (ПНЗ-5 и ПНЗ-8), что является следствием большого скопления автотранспорта в этих районах.
Локальные загрязнения от отдельных источников под влиянием турбулентной диффузии и переноса примесей создают фоновое загрязнение в городе, изменения которого определяются крупномасштабными синоптическими процессами.
В качестве обобщенного показателя для характеристики загрязнения воздуха по городу в целом использовался общепринятый параметр Р. В Саратове высокому уровню загрязнения соответствуют значения Р 0,3, повышенному - 0,2 Р 0,3 и пониженному - Р 0,2.
В таблице 3.14 представлена повторяемость групп значений Р в холодный и теплый сезоны. Были исследованы два периода: 1986-1988 гг. (когда промышленность работала с относительно высокой интенсивностью) и 1997-1999 гг. (снижение разных производств).
Из таблицы видно, что в оба исследованных периода чаще наблюдалось относительно невысокое загрязнение; в 1997-1999 гг. его доля выросла более чем на 30 %.
В 1986-1988 гг. в течение всего года преобладали высокие и повышенные показатели (более 50 %), а в 1997-1999 гг. такое состояние воздушной среды наблюдалось в 20 % случаев. Это наглядно показывает уменьшение в последние годы содержания основных примесей в воздухе.
Обычно при выделении групп загрязнения атмосферы города предполагается, что повторяемость высокого уровня должна быть около 10 %, повышенного - около 40 %, пониженного - около 50 %. Если статистическое распределение отличается от этих значений (как, например, в 1997-1999 гг.), то границы групп должны быть изменены. Поэтому для характеристики фонового загрязнения в 1997-1999 гг. были приняты градации, приведенные в таблице 3.15.
При выделении новых градаций как зимой, так и летом в 1997-1999 гг. наблюдалось примерно одинаковое число случаев высокого и повышенного загрязнения. Это свидетельствует о том, что в зимнее время на значения параметра Р влияют выбросы от отопительных систем и промышленных предприятий, а летом - от автотранспорта.
Похожие диссертации на Оценка экологического состояния атмосферы крупного промышленного центра и особенности его мониторинга : На примере г. Саратова
