Содержание к диссертации
Введение
Характеристика используемого материала 12
1.1. Краткое физико-географическое описание региона 12
1.2. Характеристика используемого материала и методы его обработки 16
2. Современные тендеции восточном казахстане 22
2.1. Краткая характеристика климата региона 22
2.1.1. Температурный режим 22
2.1.2. Осадки 28
2.1.3. Ветровой режим 33
2.2. Тенденция изменения температуры и осадков 36
2.2.1. Временной ход средних годовых температур 36
2.2.2. Тенденции изменения количества осадков 41
2.2.3. Совместный анализ временных трендов температуры и осадков 45
2.3. Интегральная разность температуры и осадков «город-пригород» 49
2.3.1. Временной ход разностей температуры «город-пригород» 49
2.3.2. Временной ход интегральных разностей осадков «город-пригород» 55
3. Современное состояние загрязнёнж Воздушного Бассейна Региона и Зависимостьот Метеоусловий 61
3.1. Основные источники выбросов и уровень загрязнения Казахстанского Алтая 61
3.2. Особенности распределения концентраций вредных веществ в воздушном бассейне Усть-Каменогорска 67
3.2.1. Особенности распределения концентраций основных загрязняющих веществ 69
3.2.2. О закономерностях годового хода концентраций фенола, формальдегида и мышьяка 77
3.2.3. Зависимость приземных концентраций загрязняющих веществ от метеорологических условий 79
3.3. Особенности распределения приземных концентраций загрязняющих веществ в зависимости от синоптических условий 81
4. Об оценке вклада выбросов отдельно взятого предприятия в приземные концентрации загрязняющих веществ 97
4.1. Учет метеоусловий 98
4.2. Общие подходы к оценке вклада УК ТЭЦ в уровень загрянения воздушного бассейна города 102
4.2.1. Общие положения 103
4.2.2. Принципы оценки 105
4.3. Оценка вклада выбросов УК ТЭЦ 108
4.4. Суммарный вклад предприятий энергетики Усть-Каменогорска в приземные концентрации ЗВ 116
5 . Оценка влияния изменения климата на экологическую ситуацию в регионе 119
5.1. Современное состояние проблемы оценки 120
5.2. Оценка влияния глобального потепления на Казахстанский Алтай 123
5.2.1. Проявление в регионе глобального потепления 124
5.2.2. Изменение экологической ситуации 128
Заключение 131
- Характеристика используемого материала и методы его обработки
- Совместный анализ временных трендов температуры и осадков
- Особенности распределения концентраций основных загрязняющих веществ
- Принципы оценки
Введение к работе
Вопросы изменения климата принадлежат к числу тех научных проблем, которыми с незапамятных времен интересуется человечество, и полное разрешение которых имеет большой теоретический интерес и огромное практическое значение.
В последние годы в связи с появлением сообщений о потеплении климата на всей планете интерес к данной проблеме возрос, а число публикаций заметно увеличилось. К настоящему времени появилось не мало работ, в которых содержится много ценных фактов и построен ряд научных гипотез [2, 6, 13, 18, 21, 23-25, 29, 34, 39-42, 44, 45 и др.]. Однако, из-за целого ряда технических трудностей, а также большой неоднозначности полученных результатов, недостаточной степени их точности и достоверности эта проблема все еще далека от полного понимания.
Глобальное изменение климата и, прежде всего, изменение температуры и осадков могут по-разному проявляться в конкретном регионе. В то же время именно региональное проявление изменения климата имеет наибольший практический интерес. Поэтому в данной работе рассматривается региональное проявление изменения климата на фоне естественной пространственно-временной изменчивости температуры и осадков.
Так как метеорологические наблюдения ведутся за каждым метеорологическим элементом в отдельности, то и изучение изменения климата производится путем исследования изменения отдельных метеорологических элементов, и лишь впоследствии данные иногда синтезируются. Поскольку наиболее существенными характеристиками климата являются количество тепла и влаги, а также их соотношение, обычно при исследовании изменения климата пользуются данными о температуре воздуха и об атмосферных осадках.
Имеется, однако, немало работ и в отношении других метеорологических элементов. Для Казахстана наблюдающееся изменение климата, отслеживание тенденций и прогноз возможных последствий особенно актуальны, т.к. подавляющая часть сельскохозяйственной деятельности расположена в зоне рискованного земледелия. И поэтому сравнительно небольшое повышение температуры, сопровождающееся уменьшением количества осадков, может существенно снизить эффективность сельскохозяйственного производства и даже сдвинуть границы климатических зон. Согласно исследованиям [33, 38, 54], для равнинных районов Казахстана такая тенденция имеет место.
Особый интерес и тревогу представляет Восточный Казахстан. Его сердцевину составляет Казахстанский Алтай, где сосредоточены добыча и переработка руд цветных металлов. Соответственно, здесь сосредоточен и мощный энергетический потенциал, вспомогательные и сопутствующие производства. В результате в атмосферу выбрасывается большое количество разнообразных загрязняющих веществ. Ситуация осложняется тем, что в горных районах скорость ветра в среднем невелика, что не способствует рассеянию и выносу загрязняющих веществ из региона. Воздушные бассейны городов Казахстанского Алтая являются поэтому наиболее загрязненными в Казахстане. Изучение загрязнения, его динамики в регионе, а также оценка возможного влияния на концентрации и динамику загрязняющих веществ в связи с предстоящим изменением климата представляют и научный, и практический интерес.
Проблемой изменения климата в Казахстане занимался ряд авторов [33, 45, 46, 54], но это касалось в основном равнинной территории. Вопросы загрязнения воздушных бассейнов городов также постоянно изучаются. Однако, в процессе выполнения работы нам удалось собрать исключительно полные и систематизированные данные благодаря тому, что, помимо наблюдений основной сети, удалось провести несколько экспедиционных обследований, при которых были организованы дополнительные пункты отбора проб и метеорологические наблюдения, в том числе на высотах 60 и 100 м на телевизионной вышке, расположенной почти в центре города Усть-Каменогорска.
При изучении состояния загрязнения воздушного бассейна региона обнаружилась, однако, еще одна важная, требовавшая неотложного решения проблема. В условиях крупного промышленного города, когда выбросы в атмосферу осуществляют много предприятий, а структура и объем этих выбросов не до конца известны, трудно определить вклад выбросов отдельно взятого предприятия в уровень приземных концентраций ВВ в воздушном бассейне города. Существующие теоретические методы оценки вклада, в силу особенностей региона и неопределенности в объемах выбросов других предприятий, оказались неэффективными. Поэтому потребовалась разработка такого метода оценки вклада отдельно взятого предприятия в приземные концентрации ВВ, который бы базировался на полной информации о массах, составе выбросов определенного предприятия и данных о метеорологических условиях рассеяния ВВ в атмосфере, но который в наименьшей степени зависел бы от наличия информации о выбросах других предприятий. Это позволяло бы проверить эффективность тех или иных технологических решений по уменьшению выбросов ВВ, внедренных на предприятиях, через величину уменьшения приземных концентраций соответствующих ВВ - самое эффективное в экологическом понимании средство оценки.
Данная задача решена на примере Усть-Каменогорской ТЭЦ и других энергетических предприятий этого города, показана эффективность решения. Одновременно всесторонне изучена динамика концентраций загрязняющих веществ в самом Усть-Каменогорске, в том числе в зависимости от метеорологических условий и синоптической ситуации.
Актуальность темы. Она определяется востребованностью результатов различными отраслями хозяйственной деятельности: сельским хозяйством, энергетической и другими отраслями, где имеют место значительные выбросы в атмосферу, учреждениями охраны окружающей среды, городскими и государственными планирующими организациями.
Результаты содержащихся в диссертации исследований будут способствовать также расширению наших знаний в области физики атмосферы, охраны окружающей среды, горной метеорологии и климата.
Диссертация выполнена в Казахском научно-исследовательском институте мониторинга окружающей среды и климата (КазНИИМОСК) и на кафедре метеорологии Казахского национального университета им. аль-Фараби. Она является продолжением и развитием проводившихся при участии автора в КазНИИМОСК по международным грантам исследований по изменению климата в Казахстане. В диссертации также использованы результаты исследований автора по проблеме загрязнения окружающей среды Казахстанского Алтая, которые выполнялись в КазНИИМОСК и на кафедре метеорологии КазНУ им. аль-Фараби в рамках хоздоговорных работ.
Цель исследований. Изучить пространственно-временные тенденции изменения температуры и осадков над Восточным Казахстаном, уровень и динамику концентраций загрязняющих веществ в зависимости от метеоусловий и на этой основе сделать выводы об ожидаемом изменении климата, а под его влиянием - и об изменении загрязнения воздушного бассейна региона на период до 2060 года.
Для достижения цели требуется решение следующих задач:
- изучить временные тенденции изменения температуры воздуха и осадков для станций региона, а также тенденции временного хода разности температуры и осадков для пар станций «город» - «пригород»;
- оценить общий уровень загрязнения региона, дополнив или скорректировав данные на основе углубленного анализа работы основных источников выбросов;
- изучить пространственное распределение загрязняющих веществ в крупнейшем промышленном центре региона-Усть-Каменогорске, в том числе в зависимости от метеорологических условий и синоптической ситуации;
- дать рекомендации к прогнозу пространственного распределения уровней загрязнения в зависимости от направления ветра на высоте 100 м;
- разработать и предложить метод оценки вклада выбросов отдельно взятого предприятия в приземные концентрации загрязняющих веществ при условии, что данные выбросов других предприятий города неизвестны или малонадежны;
- выполнить совместный анализ тенденций изменения климата и концентраций загрязняющих веществ с целью прогноза их состояния и последствий на период до 2060 года.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
- выявлены и оценены временные линейные тренды температуры воздуха и осадков для 22-х станций региона, а также интегральные тренды разностей температуры и осадков «город» - «пригород»;
- получены скорректированные оценки объемов выбросов загрязняющих веществ предприятиями региона. Найдена пространственно-временная зависимость приземных концентраций загрязняющих веществ от метеорологических условий. Установлена связь между направлением ветра на высоте 100 м и синоптическими условиями, определяющими этот ветер, на этой основе даны рекомендации к прогнозу;
- предложен метод оценки вклада выбросов отдельно взятого предприятия в приземные концентрации загрязняющих веществ. В качестве характеристики условий диссипации в атмосфере предложено использовать величины концентраций известного загрязняющего вещества, масса выбросов которого достоверно известна, в данном случае - хлора;
- оценены возможные экономические издержки в различных областях хозяйственной деятельности на перспективу до 2060 г., обусловленные наблюдающимся изменением климата. Оценены также ожидаемые изменения в загрязнении воздушного бассейна региона.
Перечисленные выше вопросы и выносятся на защиту.
Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом исходных данных статистических выборок, применяемыми методами обработки и анализа, получившими широкое признание, а также хорошим согласованием полученных результатов с теоретическими положениями по проблеме.
Методика исследований. Исследования выполнялись с использованием широко применяющихся и признанных в современной физике атмосферы статистических методов, картографическом и графическом методах, использовался также специфический, получивший широкое применение в метеорологии, комплексный аэросиноптический метод анализа.
Анализ всех результатов базируется на теории атмосферной циркуляции, теории атмосферной диффузии, мезометеорологии и термодинамике атмосферы.
Предмет защиты. На защиту выносятся следующие положения:
- оценка величины тенденций изменения температуры воздуха и осадков в регионе, их сезонные особенности, а также связь между ними;
- значения интегральных разностей температуры и осадков «город» -«пригород» и вывод о том, что эти разности не позволяют выделять антропогенную составляющую. Однако они эффективны при оценке синхронности или несинхронности временных тенденций температуры и осадков в двух точках наблюдений;
- величины скорректированных объемов выбросов загрязняющих веществ в регионе;
- пространственное распределение загрязняющих веществ в воздушном бассейне Усть-Каменогорска, динамика годового хода концентраций загрязняющих веществ в Усть-Каменогорске и их зависимость от метеоусловий, в том числе по данным наблюдений на высотах 60 и 100 м на телемачте;
- пространственно-временное распределение загрязняющих веществ в зависимости от направления ветра на высоте 100 м и аэросиноптических условий в регионе, даны рекомендации к прогнозу соответствующих ситуаций;
- метод оценки вклада выбросов отдельно взятого предприятия на приземные концентрации загрязняющих веществ и способ учета условий атмосферной диссипации примесей через концентрации ингредиента -трассера, выбросы которого достоверно известны. В данном случае в качестве трассера взяты выбросы хлора;
- прогноз ожидаемых экономических последствий изменения климата и изменения концентраций загрязняющих веществ в регионе к 2060 г.
Исходные материалы исследований. При выполнении работы использованы данные наблюдений метеорологических станций региона за весь период наблюдений, но не менее чем за 50 лет, также Бюллетени Гидрометцентра СССР (России) за последние 20 лет, синоптические карты, включая карты барической топографии за период с 1994 по 2002 г.; данные о выбросах предприятий региона за период с 1992 по 2000 г., представленные Восточно-Казахстанским управлением по охране окружающей среды, данные о концентрациях загрязняющих веществ в городах региона по данным Восточно-Казахстанского ЦГМ за период с 1993 по 2000 г., а также все данные о выбросах и режимах работы котлов Усть-Каменогорской и Согринской ТЭЦ, Усть-Каменогорских тепловых сетей за 1994 - 1998 гг.; результаты экспедиционных учащенных наблюдений за концентрациями ЗВ в Усть-Каменогорске, включая наблюдения на телемачте в период с 1994 по 1996 гг.
Более подробно характеристика используемого материала дается по тексту при его использовании.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 179 страниц машинописного текста, в том числе 20 рисунков, 28 таблиц, 5 приложений, список литературы представлен 100 наименованиями.
Характеристика используемого материала и методы его обработки
Для анализа временных рядов температуры и осадков были выбраны 11 метеостанций, расположенных примерно равномерно по территории, и у которых ряды наблюдений превышали 50 лет.
Представляло также интерес попытаться выделить антропогенную составляющую в трендах температуры и осадков, как это сделано в ряде работ [6, 10, 23, 34, 39, 49, 57, 54]. Для этого были взяты пары станций "город-пригород". Для выполнения таких исследований были выбраны два крупных города Семипалатинск и Усть-Каменогорск, в которых имеются станции с рядом наблюдений, превышающим 50 лет. Вблизи каждого из этих городов в радиусе от 30 до 120 км было выбрано по несколько метеостанций в соответствии с понятием "пригорода" с рядом наблюдений тоже не менее 50 лет. При выборе станций стремились к тому, чтобы станции были расположены равномерно во всех направлениях от "города" и отражали все многообразие орографии.
Для изучения изменения термического режима за длительный период принято применять какой-либо вариант метода сглаживания данных [2, 4, 5, 13, 14, 23, 24, 43, 49, 60]. Цель метода сглаживания состоит в том, чтобы погасить колебания сравнительно коротких периодов, которые нас в данном случае не интересуют, и тем самым более отчетливо выявить изменения длительного характера. Для целей выявления изменения климата наиболее целесообразным является сглаживание путем образования так называемых скользящих средних.
Гармонический анализ является наиболее обычным типом анализа, применяющегося для исследования периодического хода метеорологических параметров. Такой анализ помогает понять физическую сущность периодических флуктуации. Следующим этапом после выделения и анализа регулярных колебаний временного ряда является исключение последних, т. е. вычитание их из данных так, чтобы можно было проанализировать оставшийся временной ряд.
Остаток временного ряда после исключения из первоначального ряда регулярных колебаний называется непериодическим временным рядом. По сути, это временной тренд данного метеорологического параметра. Для выявления длиннопериодных и вековых изменений температуры и осадков приходится выделять именно тренды. В простейшем случае тренд можно принять линейным. Тогда прямая, выражающая этот тренд, может быть подобрана с помощью метода наименьших квадратов.
Из всех методов наиболее широкое применение при изучении изменения климата в настоящее время получил метод выделения и анализа трендов [43, 49]. В нашем исследовании тоже применен этот метод.
Оценка значимости выявленных трендов определялась существующими объективными статистическими методами, в т.ч. с помощью критериев Фишера и Стьюдента [14, 43, 49 и др]. При анализе временных рядов температуры (и осадков) следует сначала проверить внутрирядную связанность данных, а также произвести проверку соответствия этих данных нормальному закону распределения. Только в случае, если автокорреляция данных слабая или отсутствует, а сама выборка подчиняется нормальному закону распределения, вычисления ошибок параметров распределения допустимо осуществлять по стандартным формулам математической статистики [2, 13, 33, 34, 43, 49]. В противном случае пришлось бы пользоваться более сложным математическим аппаратом.
Работа по анализу наших данных по Казахстану на внутреннюю связанность и подчинение нормальному закону распределения чрезвычайно трудоемкая и выходит за рамки поставленных задач. Однако такой сложный анализ выполнен для станций Тянь-Шаня в [13, 14], имеются и другие работы, из которых следует, что в большинстве случаев связанность слаба или полностью отсутствует для осадков, а распределение близкое к нормальному. Мы посчитали, что эти результаты приложимы и к нашему региону, что позволило нам при расчетах пользоваться только формулами классической статистики.
После установления факта наличия или отсутствия значимых изменений в вековом ходе температуры и их анализа по каждой из станций региона было выполнено исследование векового хода разностей температуры "город-пригород" под влиянием антропогенного воздействия. Для проверки этой гипотезы за синхронные годы за весь период наблюдений рассчитывались разности температур "город-пригород" для всех станций "пригорода". После контроля достоверности полученных результатов вычислялся тренд разностей температур, по значимости которого определялось, имело ли место существенное изменение разностей или нет. Если разности существенно не изменялись во времени, то температура в городе изменялась такими же темпами, что и в пригороде без нарастающего антропогенного влияния.
Для анализа загрязнения воздушного бассейна региона были использованы данные о выбросах и данные наблюдений за концентрацией загрязняющих веществ, имевшихся в распоряжении областного управления по охране окружающей среды за 1993 - 2000 гг., бюллетени Казгидромета, а также ежедневные данные Восточно-Казахстанского ЦГМ по всему региону.
Кроме того, на протяжении 1994 - 2000 гг. при выполнении научно-исследовательской темы по оценке вклада выбросов УК ТЭЦ в приземные концентрации загрязняющих веществ в Усть-Каменогорске в каждый сезон года в течение недели производился экспедиционный мониторинг, во время которого организовывались дополнительные пункты отбора проб, а основная сеть отбора проб Усть-Каменогорского УГМ вела учащенные наблюдения (каждые 3 часа).
Во время каждого из экспериментов были собраны материалы, достаточные для того, чтобы изучить особенности распределения ВВ по городу в зависимости от метеоусловий и сезона года. Были получены важные данные о связи ветра на высоте 100 м с полем ветра и относительными концентрациями SO2 и NOx у земли, которые реализованы в виде типовых карт распределения перечисленных характеристик у земли в зависимости от направления ветра на высоте 100 м. Эти карты стали основой для прогноза экстремальных загрязнений в зависимости от особенностей крупномасштабных синоптических процессов.
Данные, собранные во время экспериментов, были затем использованы также в расчетах по оценке вклада энергетических предприятий в фоновый уровень загрязнения атмосферы города. Все наблюдения, отбор проб и химанализ велись в сторогом соответствии с [63].
Совместный анализ временных трендов температуры и осадков
Из теории общей циркуляции следует, что между температурой и осадками должна существовать определенная связь. Для умеренных широт эта связь обратная: в годы с более высокой температурой обычно выпадает осадков меньше нормы, а в годы с более низкой температурой, осадков выпадает больше нормы [2, 4, 8, 12-14, 34]. Закономерность имеет простое объяснение: в годы с температурой выше нормы преобладает вынос на регион сухого тропического воздуха, а в годы, когда температура ниже нормы, преобладает вынос холодного влажного воздуха, в т.ч. с Атлантики, а так же местное внутриконтинентальное выхолаживание в зимний период.
Представляло интерес проверить, соблюдается ли отмеченная выше закономерность в вековых изменениях температур и осадков. Для этого проанализируем качественно временной ход температур и осадков по каждой станции, отмечая такие факты, как совпадение или несовпадение знака тренда, наличие одних и тех же циклов в колебаниях, совпадение экстремумов.Шемонаиха, где на фоне роста температуры отмечен заметный рост количества осадков, а также Зыряновск и Кара-Аул с совсем незначительным ростом количества осадков.
По сезонам распределение более пестрое, тем не менее, основные закономерности четко прослеживаются. Для зимы характерен рост количества осадков на фоне роста температуры, т.е. зависимость прямая, что объяснимо для зимы центральных районов континента: вторжения приносят не только влагу, но и более высокие температуры по сравнению со сложившейся в результате радиационного выхолаживания.
Весной практически на всех станциях, где имеет место рост температуры, тренд осадков отрицательный. На трех станциях - Чарское, Кара-Аул и Усть-Каменогорск отмечен отрицательный тренд температуры, но только в Кара-Ауле это сопровождается положительным трендом осадков.
Летом на 7 станциях региона отмечаются положительные тренды температуры, которым соответствуют отрицательные тренды осадков (за исключением Лениногорска и Чарское, где положительный тренд температуры сопровождается заметным положительным трендом осадков). На трех станциях в этом сезоне имеют место отрицательные тренды температуры, которые в двух случаях сопровождаются и отрицательными трендами осадков (табл. 2.13).
Осенью на пяти станциях тренд температуры положителен, которому только в трех случаях соответствует отрицательный тренд осадков. В Семипалатинске отрицательному тренду температуры соответствует и отрицательный тренд осадков.
Таким образом, в годовом ходе температуры и осадков в регионе просматривается закономерность, когда положительному тренду температуры, в общем, соответствует отрицательный тренд осадков. Однако данная закономерность имеет сложную внутреннюю структуру: зимой (и в значительной мере - осенью) росту температуры, соответствует рост осадков и это перекрывается тем, что летом на большинстве станций росту температуры соответствует уменьшение количества осадков, дополняемое такими закономерностями по ряду станций и весной.
Задача установления согласованности циклов в колебаниях температуры и осадков оказалась чрезвычайно сложной, во-первых, из-за неоднозначности связей, а во-вторых, из-за сдвига в экстремумах и неодинаковости по амплитуде отклика в колебаниях сравниваемых параметров.
Так, для Семипалатинска в экстремально теплом в 1940 г. осадков выпало около нормы, а в холодный 1946 г. в ходе осадков был отмечен минимум, экстремально холодному 1964 г. соответствовало только некоторое понижение количества осадков и т.д.Для Усть-Каменогорска в экстремально теплые 1961 и 1962 гг. осадки были существенно выше нормы. В экстремально теплый 1982 г. осадков было около нормы, а в экстремально холодный 1985 г. - тоже около нормы.Аналогичная ситуация наблюдается и при сравнении сезонных значений температуры и количества осадков.
В чем же состоит трудность выявления согласованных циклов в ходе температуры и осадков? Используя сравнительный анализ годового и сезонного хода температуры, мы можем ответить на этот вопрос. Причина, прежде всего, заключается в том, что между количеством осадков и температурой может быть как прямая, так и обратная связь. Зимой, например, экстремально низким температурам соответствует малое количество осадков, т.к. низкие температуры обусловлены влиянием Сибирского антициклона. Летом же, низкие температуры обусловлены частыми вторжениями из Атлантики и Баренцева моря, которые приносят много влаги, и связь между температурой и осадками обратная. В переходные сезоны эта связь может быть как прямой, так и обратной, что дополнительно усложняет анализ.
Осадки, кроме того, - явление. Они могут за несколько дней в сезон выпасть в количестве нормы, а на среднюю температуру сезона это не повлияет, она может оказаться зимой ниже, а летом выше нормы.
Особенности распределения концентраций основных загрязняющих веществ
Город Усть-Каменогорск расположен в речной долине у слияния рек Иртыша и Ульбы, в основном вдоль правого берега Иртыша. Долина окружена со всех сторон отрогами горных хребтов. В 120 км к северо-востоку расположен хребет Холзун, высшая точка которого 2674 м (г. Линейный белок). От Холзуна к юго-западу отходят три хребта: Ульбинский, Ивановский и Убинский, по высотам мало уступающие Холзуну (1895, 2778 и 1967 м соответственно). С южной стороны долины расположен Калбинский хребет, который ориентирован почти широтно. Отроги Ивановского хребта подходят ближе всего к городу, на расстояние 3-4 км, закрывая долину с востока. Эти отроги отделены от отрогов Калбинского хребта, подходящего очень близко к городу с юго-востока, только узким ущельем, через который и протекает Иртыш. Высоты отрогов обоих хребтов достигают в окрестностях города 800 м. В этом районе восточнее города расположена Усть-Каменогорская ГЭС.
Севернее города, на расстоянии около 35 км расположен Ульбинский хребет, ориентированный в этом месте почти широтно. К юго-западу и западу, местность тоже постепенно повышается, переходя в отроги Калбинского и Убинского хребтов, и представляет собою обширную сильно всхолмленную равнину.
Своеобразие местоположения района сказывается на условиях формирования климата, протекании погодообразующих процессов и, соответственно, на условиях формирования уровней загрязнения и рассеяния примесей в атмосфере. Факторами, способствующими уменьшению концентрации примесей в атмосфере, как известно [18, 19, 28, 64], являются: - перенос воздуха (т.е. ветер);- турбулентное и конвективное перемешивание; - осадки; - солнечная радиация (для некоторых видов примесей). Рис.3.1. Расположение постов отбора проб в Усть-Каменогорске
Для анализа использовались данные наблюдений за концентрацией вредных веществ (ВВ) в воздушном бассейне города на семи постах отбора проб за период с 1993 по 1997 гг. включительно, т.е. за 5 лет. Использованы также наблюдения за метеорологическими параметрами на этих постах во время взятия проб воздуха. Пробы воздуха отбирались ежедневно в 07, 13, и 19 ч. местного времени, кроме субботы и воскресенья. Их анализ выполнен в строгом соответствии с [63]. Схема города и расположение постов представлены на рис 3.1. Средние месячные величины концентраций ЗВ в точках отбора проб приведены в таблицах приложения Б. Здесь же в тексте рассмотрены средние по городу месячные концентрации ЗВ.69 3.2.1. Особенности распределения концентраций основных загрязняющих веществ
При анализе метеорологических условий особое внимание было уделено ветру как наиболее значительному фактору, определяющему диссипацию и перенос ВВ. За пятилетний период подсчитаны повторяемость ветра по направлению и повторяемость штилей. Результаты представлены в табл. 3.3. Из этой таблицы следует, что повторяемость штилей для Усть-Каменогорска высокая практически в течение всего года. Это дало основание обработать данные о концентрации ВВ в двух вариантах: 1)для условий штиля и 2) для всех случаев независимо от скорости ветра. Такие данные получены для каждого ингредиента.
Первым, несколько неожиданным результатом оказалось то, что и абсолютные и относительные концентрации всех ВВ мало различаются для случаев штиля и для случаев с ветром (табл. 3.4 и 3.5). Естественно ожидать, что при штиле концентрации ВВ выше, чем в ветреную погоду. Так оно и есть в среднем за год. Почти для всех ингредиентов они выше при штилях, хотя и на небольшие величины (табл. 3.4 и 3.5). Статистическую близость величин концентраций ВВ при штилях и в ветреную погоду можно объяснить двумя факторами; во-первых, средние скорости ветра в течение года невелики, часто они составляют 1-2 м/с, и эти условия не сильно отличаются от штилевых, а, во-вторых, повторяемость штилей для большинства месяцев высокая, она достигает 66% в зимние месяцы (см. табл. 3.4). Поэтому дни (или сроки) со штилем чередуются с днями (или сроками) с ветром, обычно слабым. Полного обновления воздушной массы в городе за период с ветром не происходит. Отсюда и близость концентраций ВВ в дни со штилем и в дни с ветром.
Принципы оценки
Оценку вклада в загрязнение воздуха города как одиночным объектом, так и группой объектов, возможно осуществить на основании теоретических исследований диссипации примесей и вытекающих из них закономерностей. Для этого определяется поле концентраций примесей, создаваемое каждым источником как при характерной скорости ветра UM, так и при других возможных скоростях ветра с учетом направления. Затем осуществляется суммирование полей концентраций создаваемых источниками. Доля вклада конкретного источника в концентрацию в данной точке равна отношению его вклада к общей концентрации данного ВВ в этой точке. Именно такой подход получил широкое распространение, поскольку он реализует результаты теоретических и многих экспериментальных исследований
По описанному выше подходу к оценке вклада, однако, часто возникают трудности при получении достоверных результатов. Это обусловлено тем, что в районах со сложной орографией модели расчета работают плохо, поскольку не выполняется основное условие: высота орографических препятствий не должна быть выше высоты источника. Кроме того, в таких районах образуется собственная горно-долинная, склоновая и др. циркуляция в нижних слоях атмосферы, существенно отличная от ветра на высоте источника.
Поскольку концентрация ВВ у земли, кроме объема выбросов и высоты источника, определяется метеоусловиями (орография тоже реализуется через метеоусловия), то можно считать, что для равновесных состояний между разными объемами выбросов ВВ и его концентрациями у земли имеет место линейная связь, по крайней мере, в течение довольно длительного времени.
Если в городе несколько источников выбросов одного и того же ВВ, то наблюдаемая его концентрация у земли рассматривается как сумма вкладов каждого из источников. При этом связь между объемом выбросов ВВ и вкладом в приземную концентрацию, как уже отмечалось, у каждого источника своя.
Исходя из вышеизложенных соображений, можем считать, что концентрация ВВ в конкретный момент времени Сф, обусловленная выбросами конкретного предприятия, будет связана с концентрацией в исходный момент времени Си соотношением: ВВ источником в данный (фактические) и в исходный периоды осреднения; Мф и Ми - потенциал загрязнения или другая характеристика метеоусловий для тех же периодов.
Поскольку в нашем случае обработке подвергаются материалы наблюдений за несколько лет, целесообразно рассчитать средние годовые характеристики метеоусловий для каждого года, а затем оценить метеоусловия каждого месяца (или другого периода) через их отношение к среднегодовым. Полученные таким образом нормированные характеристики метеоусловий 107 будут сразу показывать, во сколько раз условия рассеяния в данном месяце лучше (или хуже), чем в среднем за год (табл. 4.1).
Поскольку отношение Сф/Си определяется Оф/Qu, то фактическая суммарная концентрация вредного вещества Сф в атмосфере города при необходимости может быть рассчитана как где: Сиэ - исходная концентрация ВВ, обусловленная выбросами энергетического предприятия в исходный момент; п - число, показывающее, во сколько раз уменьшились объемы выбросов по сравнению с исходным моментом; Сп - концентрация, обусловленная выбросами данного вредного вещества прочими предприятиями.
При изменении нагрузки оцениваемым предприятием следует ожидать изменения средней по городу концентрации ВВ по закону: 2. = ЯЙЭ (6)где )фЭ - объем выбросов ВВ оцениваемым предприятием; Q u - объемы выбросов прочих предприятий за тот же период.
Из выражения (6) следует, что чем больше начальный вклад отдельного предприятия в суммарную концентрацию, т.е. при 0фэ » Q„, тем быстрее эта концентрация уменьшается, затем при примерном равенстве вкладов Q « фП наступает замедление, после чего при Q « Q „ вклад отдельного предприятия становится малозаметным. Следовательно, чем меньше вклад предприятия в приземные концентрации, тем труднее этот вклад выделить. При практической оценке вклада, однако, определяющим является выражение (4). Именно оно и положено в основу всех дальнейших расчетов.
Работа предприятий "Алтайэнерго", как и других энергетических предприятий, характеризуется высокой стабильностью технологии, наличием практически единственного источника выбросов - трубы, хорошо организованной эффективной системой контроля за выбросами, качеством топлива и количеством выдаваемой продукции. В то же время нагрузка 108 предприятий в течение года изменяется в 5-8 раз, что дает возможность увязать объемы выбросов ВВ с их концентрацией в широком диапазоне. С учетом этого вклад предприятий "Алтайэнерго", в первую очередь, УК ТЭЦ как основного источника выбросов в концентрацию ВВ в атмосфере города, может быть оценен более точно, чем других.4.3. Оценка вклада выбросов УК ТЭЦОценка вклада выполнялась по каждому ингредиенту отдельно, т.е. в зависимости от возможностей применялись несколько разных подходов.
Вычислим средние по городу месячные концентрации ВВ и приведем затем эти данные к средним метеоусловиям, для чего воспользуемся относительными коэффициентами для каждого месяца, найденными на основе данных о концентрации хлора и содержащимися в табл. 4.1. В табл. 4.2 содержатся расчетные объемы выбросов УКТЭЦ в течение года. Эти данные будем считать исходными для дальнейших наших расчетов. По необходимости будем привлекать и другую информацию, содержащуюся в табл. 4.3. Для примера рассчитаем по изложенной выше методике вклад выбросов пыли УК ТЭЦ в ее приземные концентрации.
Для наглядности построим по данным за 1994 год график годового хода средних месячных по городу концентраций пыли при штиле и независимо от скорости ветра, который дополним ее концентрациями при тех же условиях, но исправленными на метеорологические условия рассеяния, рассчитанные по хлору. Нанесем также на него объемы выбросов золы УКТЭЦ, рассчитанные согласно руководящему документу [61].
Мы видим, что объем выбрасываемой пыли имеет ярко выраженный годовой ход с растянутым максимумом зимой, в декабре-марте, и минимумом-летом. Годовой ход объемов выбросов довольно плавный. Перепад (амплитуда) достигает 1000 т, изменяясь от 1100 т во время максимума (февраль) до 100 т во время минимума (июль-август).
