Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Эффективность природоохранных решений в условиях интенсивной техногенной нагрузки окружающей среды промышленно развитых территорий определяется не только полнотой контроля за объемом и составом выбросов , но и адекватностью идентификации условий и закономерностей распределения примесей в атмосфере (Охрана природы. Атмосфера. Источники и метеорологические факторы загрязнения, промышленные выбросы . ГОСТ 17.2.1.04-77.; Г.И. Марчук, 1982; Э.Ю. Безуглая, 1986; Ю.И. Малов , Л.К. Мартинсон , 1992; Shmidt в., 1992 и др.).
По данным государственной службы наблюдений за состоянием окружающей среды за последние 10 лет в целом по России отмечается снижение количества выбросов вредных веществ , в том числе за счет уменьшения объемов производства, реконструкции и технического перевооружения предприятий химической промышленности , черной и цветной металлургии. Вместе с тем, кризисная ситуация значительного загрязнения воздушного бассейна в целом сохраняется. В соответствии с материалами государственного доклада" О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1994 " Пермская область по объему выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников в атмосферу относится к числу территорий с наибольшими удельными показателями ( 2.7 % от общего объема по Российской Федерации ), а город Пермь - к числу 43 городов с высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха. На территории г. Перми сосредоточено около 43 % промышленного производственного потенциала , и около 30 % основных производственных фондов.
Известно, что на рассеивание примесей в условиях промышленно-селитебных зон существенно влияют наземные препятствия (архитектурно-планировочное решение территории, зеленые массивы, водные объекты и т.д.). Наряду с нормативно -регулирующими, наблюдательными, экспериментальными методами в последние десятилетия особое значение в решении экологических проблем приобретает математическое моделирование различных процессов, в особенности на стадии проработки проектов жилого и промышленного строительства.
Теоретические основы массобмена и аэродинамические соотношения для моделирования ветрового потока и переноса загрязняющих примесей для принятия архитектурно-планировочных решений жилых микрорайонов достаточно глубоко разработаны ( И.Е. Синицына , 1993 ; А.П. Курковский, М.Г. Левахин, 1994 и др. ). Вместе с тем, в рамках этих проблем роль зеленых насаждений, крупных растительных или лесных массивов как площадных источников вторичного загрязнения селитебных территорий за счет аккумуляции атмосферных примесей фактически остаются неизученными, не имеют научного и нормативно- правового обоснования , и, следовательно, не учитываются в практике принятия природоохранных решений и экологической экспертизе.
В связи с изложенным, следует признать выбранную тему исследований достаточно актуальной.
ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ являлись промышленно развитые и лесопарковые зоны, находящиеся в условиях высокой аэрогенной нагрузки ( на примере г. Перми). В качестве предмета исследования была выбрана воздушная среда лесопарковой зоны городской застройки, как потенциальный источник загрязнения атмосферы, наименее изученный и оцененный с научной и практической точки зрения.
ЦЕЛЬЮ ИССЛЕДОВАНИЯ являлось установление закономерностей массообмена, аккумуляции и вторичного выноса атмосферных примесей растительными массивами.
В качестве научной гипотезы было выдвинуто предположение о том, что воздушная среда лесных и лесопарковых массивов промышленно развитых зон за счет аккумуляции атмосферных примесей может являться источником вторичного загрязнения атмосферы. В соответствии с поставленной целью и научной гипотезой рассмотрены следующие задачи:
Провести ранжирование основных источников загрязнения атмосферы по объемам пылегазовых выбросов.
Выделить зоны аномально высокого загрязнения территории города на основании расчетов рассеивания примесей в атмосфере и кластеризации аэрогенной химической нагрузки.
Разработать методику и алгоритмы оценки переноса, накопления и вторичного выноса аэрогенных примесей лесными массивами.
» Провести верификацию предложенных математических моделей динамики массопереноса и аккумуляции примесных загрязнений в условиях натурного эксперимента.
Разработать рекомендации по порядку учета вторичного аэрогенного загрязнения объектов окружающей среды в системе государственной природоохранной деятельности.
МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЙ БАЗОЙ исследований являлись методы статистического анализа динамических данных, расчета рассеивания загрязнений в атмосфере по результатам инвентаризации выбросов , кластерного анализа и зонирования территории, математического моделирования движения газового потока по выделенной области к рассеивания газовым потоком частиц примеси в виде взаимосвязанных задач в двумерной формулировке, натурного эксперимента и верификации моделей.
«Впервые предложена и реализована методология зонирования территории на основании комплексного расчетно- кластерного статистического исследования, прогнозирования и идентификации аэрогенной нагрузки вредных примесей на атмосферу в условиях крупного города.
Выполнены построение и анализ одномерной математической модели с целью проверки обоснованности физической гипотезы переноса загрязнений воздушной среды лесных массивов и уточнения концептуальной постановки задачи.
' «Выполнены построение и анализ двумерной математической модели учета движения воздушных потоков сквозь лесной массив и над ним, оценки условий и возможности аккумуляции и вторичного выноса примесей, построение картины распространения газообразного вещества.
Разработаны и реализованы алгоритмы и программное обеспечение для решения поставленных задач.
Выполнено планирование и реализован натурный эксперимент по верификации предложенных математических моделей. Установлены закономерности обмена техногенных загрязнений в воздушных средах лесного массива прилегающих территорий. Впервые научно обоснована роль лесных массивов как источников вторичного ( аномально высокого ) загряз-
6 нения атмосферы и доказана необходимость учета этих факторов при
регламентировании предельно допустимых выбросов, оценке фоновых
концентраций примесей, разработке природоохранных решений.
РАБОТЫ
Результаты работы использованы при разработке:
Государственных докладов " О состоянии окружающей природной
среды Российской Федерации " (в 1993,1994 гг.).
Направлений развития сотрудничества по вопросам экологии между Министерством охраны окружающей среды Нижней Саксонии и Пермским областным комитетом (Протокол о намерениях от 23.04.94, п. I).
Концепции территориальной системы экологического мониторинга Пермской области в составе Единой Государственной системы экологического мониторинга России (письмо Минприроды РФ № 19-4 от 05.02.96).
Направлений работ в деятельности центра международных проектов (акт внедрения № 3/13 от 20.02.96).
Федеральной целевой программы "Экологическая безопасность Урала" (письмо УралНИИ "Экология" Минприроды РФ № 40 от 19.02.96г).
Программы создания единой территориалной системы мониторинга Пермской области в 1995-1996 гг. (письмо Администрации Пермской области от 07.02.96).
Анализа экологической обстановки крупных промышленных центров Тюменской области (письмо Тюменского областного комитета окружающей среды и природных ресурсов № 276 /МАП от 22.02.96).
Рекреационных мероприятий в лесопарковой зоне г. Перми и других регионов Пермской области (письмо Академии МТН, Пермское региональное отделение № 13-11 от 31.01.96).
Материалы работы легли в основу информационно- программной системы в составе следующих внедренных в практику разработок, сертифицированных межрегиональным координационным советом по компьютеризации в системе Минприроды Российской Федерации :
Автоматизированное рабочее место по сбору , накоплению, обработке и анализу информации о промышленных выбросах в атмосферный воздух ( сертификат № 7 от 14.02.95 ).
Автоматизированное рабочее место по ведению баз данных нормативов предельно-допустимых выбросов предприятий (сертификат № 5 от 14.02.95).
Материалы и результаты исследований внедрены в практику природоохранной деятельности Пермского областного и территориальных
комитетов охраны природы, а также в учебном процессе при подготовке инженерных кадров - инженеров - экологов в Пермском государственном техническом и педагогических университетах и повышении квалификации специалистов различного профиля , работающих в области государственного природоохранного контроля и охраны природы. По материалам выполненной работы поданы две заявки на изобретения.
Методические основы оценки и ранжирования территории по вели чинам аэрогенной нагрузки .
Математическая модель переноса, накопления и вторичного выноса атмосферных примесей воздушными потоками растительных массивов.
Особенности распределения атмосферных примесей в воздушной среде зоны растительных массивов в натурных условиях при различных микроклиматических параметрах.
Информационно-программное обеспечение для решения поставленных задач.
Основные положения и материалы днесер і анионной работы докладывались на региональной научно- практической конференции "Научные и практические аспекты охраны природной среды в Пермской области (Пермь, 1978 ), экологической секции Межведомственного Оовеїа по ко ординацин научных исследований при Президиуме УНЦА НСССР ( Свердловск, 1978 і.); международной научно практической конференции Prio Report "Conversion and the F.nviionmenl (Russia Perm 1907) Междл народном жолопіческом форуме "(ilobal Forum'94" (hntilaml. Manchester,! ('91 ). региональной научно-технической конференции "Химия и химическая технология ' (Пермь, 1995), межрегиональной науч но-практической конференции "Проблемы іколоіическою мониторинга (Уфа, 1995 ) и др. В полном объеме материалы диссертационной работы апробированы на совместном заседании кафедр охраны окружающей среды и математического моделирования систем и процессов Пермского государственного технического университета и президиума Пермского регионального отделения Российской экологической Академии ( протокол №4 от 22.12. 95).
ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертации изложены в 10 печатных работах.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ