Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор и выбор направления исследований 13
1.1. Анализ состояния воздушной среды в городах-курортах Кавказских Минеральных Вод 13
1.2. Анализ зарубежных и российских подходов к норимрова-нию качества атмосферного воздуха в населенных пунктах
по пылевому загрязнению 17
1.3. Анализ адсорбционной способности пылевых частиц в ат-мосфере городов 23
1.4. Анализ опыта организации мониторинга пылевого загрязнения городской воздушной среды 25
1.5. Обоснование и выбор направления исследований 30
1.6. Выводы по главе 1 31
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования фракционного состава и скорости оседания мелкодисперсной пыли 33
2.1. Особенности климата в г. Ессентуки 33
2.2. Методика и планирование проведения натурных исследований 36
2.3. Исследования фракционного состава пыли в различных зонах города-курорта Ессентуки 39
2.3.1. Оценка фракционного состава пыли в рекреационных зонах 39
2.3.2. Исследования фракционного состава пыли в жилой зоне и внутри помещений 46
2.3.3. Исследование фракционного состава пыли в атмосферном воздухе промышленной зоны г. Ессентуки 53
2.3.4. Оценка влияния различных факторов на содержание мелкодисперсных частиц в воздушной среде города-курорта
2.4. Определение скорости оседания пылевых частиц 69
2.5. Выводы по главе 2 73
ГЛАВА 3. Натурные и теоретические исследования загрязнения воздушной среды городов частицами РМ10 и РМ2,5 75
3.1. Экспериментальные исследования концентрации мелкодисперсной пыли в различных зонах г. Ессентуки. 75
3.1.1. Методика проведения исследований 75
3.1.2. Результаты эксперимента ьных исследований по оценке концентрации мелкодисперсной пыли в различных зонах г. Ессентуки 77
3.2. Исследование максимумов концентраций РМ10 и РМ2,5 81 с использованием последовательности случайных величин.
3.3. Оценка выполнения нормативов по концентрации частиц РМ10 и РМ2.5 в атмосферном воздухе в г. Ессентуки 92
3.4. Выводы по главе 3 94
ГЛАВА 4. Практическая реализация результатов исследований 95
4.1. Сравнительный анализ фракционного состава пыли в воздушной среде городов-курортов и промышленных городов 95
4.2. Разработка методических основ мониторинга состояния атмосферного воздуха в курортных городах по загрязнению мелкодисперсными частицами РМ10 и РМ2,5 96
4.2.1. Основные принципы организации мониторинга содержания мелкодисперсных частиц пыли в городской воздушной среде 96
4.2.2. Методы организации мониторинга взвешенных частиц в атмосферном воздухе населенных пунктов 99
4.2.3. Система организации мониторинга качества атмосферного воздуха по содержанию мелкодисперсных частиц в городах-курортах 102
4.3. Выводы по главе 4 107
Заключение 109
Список литературы
- Анализ адсорбционной способности пылевых частиц в ат-мосфере городов
- Оценка фракционного состава пыли в рекреационных зонах
- Результаты эксперимента ьных исследований по оценке концентрации мелкодисперсной пыли в различных зонах г. Ессентуки
- Разработка методических основ мониторинга состояния атмосферного воздуха в курортных городах по загрязнению мелкодисперсными частицами РМ10 и РМ2,5
Анализ адсорбционной способности пылевых частиц в ат-мосфере городов
Курорт - освоенная и используемая в лечебно-профилактических целях особо охраняемая природная территория, располагающая природными лечебными ресурсами и необходимыми для их эксплуатации зданиями и сооружениями, включая объекты инфраструктуры [34].
Одним из крупнейших оздоровительных мест в России является Кавказско-Минераловодская агломерация (КМВ), объединяющая города Кисловодск, Ессентуки, Пятигорск, Минеральные Воды, Железноводск, Лермонтов, и опирающаяся на высокую транспортную связность основных городов региона. Эта объективно единая система расселения по сути представляет собой мегаполис, численность населения которого, вместе с сельским населением, в перспективе может приблизиться к 1 млн. чел. Кавказско-Минераловодскую агломерацию можно рассматривать в одном ряду с городами – миллионниками России [89, 90].
Регион КМВ обладает большой привлекательностью в силу уникальности, разнообразия, компактности размещения и комплексности лечебно-оздоровительных факторов, к которым относятся минеральные воды, лечебные грязи, климат и ландшафт. На территории КМВ сосредоточена почти треть разведанных запасов минеральных вод и лечебных грязей бывшего СССР. Выявлено свыше 130 источников минеральных вод тридцати типов, из которых эксплуатируется более 100. В 2005 г. было добыто 892 тыс. м3 минеральной воды, в том числе для курортного лечения использовано 61 %, для целей розлива – 39 %. Уникальные гидроминеральные ресурсы, обеспечивающие многопрофильность и высокую эффективность курортного лечения, являются основой курортной отрасли. Гидроминеральная база региона представлена 29 месторождениями и участками с эксплуатационными запасами минеральных вод в объеме более 15 тыс. м3 в сутки. Особую ценность представляют такие минеральные воды, как Кисловодский нарзан, Ессентукские источники № 4 и № 17, Пятигорские углекислые, углекисло-сероводородные и радоновые воды, Железноводские термальные воды сложного химического состава. Большой лечебной эффективностью обладают грязи озера Тамбукан, где суммарные эксплуатационные запасы Тамбуканского месторождения могут составлять не менее 0,8-1,0 млн. м3 лечебной грязи (рисунок 1.1) [89, 90].
Помимо минеральных вод и лечебных грязей курортный регион КМВ отличается большим разнообразием ландшафтно-климатических особенностей, обусловленных горным рельефом и сложным сочетанием геоморфологических зон. Климат региона КМВ обладает высокими оздоровительными свойствами, которые широко используются на курортах в качестве самостоятельного и высокоэффективного курортного метода лечения – климатотерапии. В наиболее живописных ландшафтах проложены общекурортные терренкуры, которые используются для лечебно оздоровительной ходьбы. В настоящее время в состав курортного комплекса КМВ входят 118 санаторно-курортных учреждений и 26 гостиниц, мотелей и туристических комплексов.
В целях сохранения и воспроизводства уникальных природных лечебных факторов (минеральных вод и лечебных грязей), охраны земель, недр, ландшафта, горных выработок, пригодных для лечебного использования, воздушного бассейна, древесной и иной растительности, животного мира, памятников природы и культуры, источников водоснабжения и других водных объектов району Кавказских Минеральных Вод Указом Президента Российской Федерации от 27 марта 1992 года № 309 был придан статус особо охраняемого эколого-курортного региона Российской Федерации.
Основными видами техногенной нагрузки, оказывающей негативное воздействие на природную среду в рассматриваемом регионе, являются: городской комплекс; санаторно-курортный комплекс; капитальное строительство; энергетика; промышленность; гидротехническое строительство; транспорт.
Вместе с тем, следует отметить, что в течение последних двадцати лет промышленность, которая является основным источником негативного воздействия на окружающую природную среду, в регионе КМВ развивалась более интенсивно, чем другие отрасли народного хозяйства, в том числе курортное дело [75, 76]. В связи с этим состояние атмосферного воздуха в регионе Кавказских Минеральных Вод в основном определяют выбросы от стационарных источников. Так, по данным [90] в 2011 г. они составили 87,6% от общего валового выброса (85 из 97,5 тыс. т) загрязняющих веществ. Наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносят следующие стационарные источники: объекты теплоэнергетики – 42,55%, пункты хранения и реализации нефтепродуктов – 15,6%, предприятия пищевой промышленности – 14,29%, производство строительных материалов (завод ЖБИ ООО «Стройдеталь» в г. Пятигорске) – 4,27% [75, 76]. Наибольшую антропогенную нагрузку, изменяющую естественное состояние окружающей среды в городах-курортах, обусловливает функционирование транспортного комплекса (таблица 1.1) [76]. Таблица 1.1 - Воздействие транспорта на окружающую среду в городах-курортах Кавказских Минеральных Вод Вид транспорта Поступления загрязняющих веществ, т/год в атмосферу в почву Автомобильный 88300 12400 Железнодорожный 2900 3300 Воздушный 2990 980
Представленные данные свидетельствуют о том, что общий выброс загрязняющих веществ в атмосферу от транспорта составляет более 94 тыс. т/год, общие поступления загрязняющих веществ в почву превышают 16 тыс. т/год, что на 40% выше нормы, установленной для городов-курортов [76].
Анализ состояния атмосферного воздуха в г. Кисловодске (3488 наблюдений), г. Пятигорске (3840 наблюдений), г. Минеральные Воды (2568 наблюдений) проведен по данным 10538 наблюдений за концентрациями 7 вредных веществ (пыль, сернистый газ, растворимые сульфаты, диоксид азота, оксид азота, сажа, 3,4 бенз(а)пирен), выполненных лабораторией по мониторингу загрязнения окружающей среды центра по гидрометеорологии и мониторингу природной среды. Наибольшую долю в выбросах загрязняющих веществ составили: оксиды углерода – более 50 тыс. т, углеводороды – более 10 тыс. т, оксиды азота – более 7 тыс. т, окислы серы – более 1,5 тыс. т и др. [75].
В г. Ессентуки промышленность представлена в основном предприятиями перерабатывающей отрасли (например, ОАО «Ессентуки-хлеб») и 9 заводами по розливу минеральных вод, и с учетом уникальности курорта дальнейшего развития крупной промышленности не планируется. Поэтому в общем валовом выбросе городов-курортов КМВ г. Ессентуки имеет самую меньшую долю, что иллюстрирует диаграмма, представленная на рисунке 1.2.
Оценка фракционного состава пыли в рекреационных зонах
Очевидно, и это отмечается многими авторами [1, 4, 7-9, 12, 18, 22, 25, 28, 42, 43, 56, 69, 79, 80, 93, 107, 109, 110, 118, 119-121, 125], что концентрация и фракционный состав пыли, содержащейся в воздушной среде населенных пунктов, определяются многими факторами – климатическими параметрами (температура и относительная влажность наружного воздуха, скорость и направление ветра), особенностями рельефа местности, наличием и характеристиками промышленных источников пылевых выбросов в атмосферу, интенсивностью движения автотранспорта на городских магистралях и т.д. Поэтому при проведении натурных исследований по оценке фракционного состава и концентрации пыли в атмосферном воздухе в разных зонах г. Ессентуки фиксировались, как отмечалось в п.п. 2.2, температура и относительная влажность наружного воздуха, скорость ветра, расстояние от точки проведения замеров до промышленной зоны, интенсивность движения городского автотранспорта и людей. Некоторые из полученных результатов в качестве примера приведены на рисунках 2.20-2.23.
На рисунке 2.20 показано изменение доли частиц РМ10 в пыли, содержащейся в воздушной среде парковой зоны, в зависимости от относительной влажности воздуха при его разной температуре в безветренную погоду и при отсутствии посетителей. На рисунке 2.21 приведены аналогичные данные для частиц РМ2,5. Как свидетельствуют полученные данные, при повышении температуры наружного воздуха выше 50С, содержание мелкодисперсной пыли в атмосферном воздухе резко возрастает (например, доля частиц РМ2,5 увеличивается практически в 5 раз (рисунок 2.21). Это можно объяснить тем, что именно в этом температурном
Изменение доли частиц РМ10 в пыли, содержащейся в воздушной среде парковой зоны, в зависимости от относительной влажности воздуха в безветренную погоду и в отсутствие посетителей. 1 – при температуре наружного воздуха 50С; 2 - при температуре наружного воздуха 150С; 3 - при температуре наружного воздуха 250С
Изменение доли частиц РМ2,5 в пыли, содержащейся в воздушной среде парковой зоны, в зависимости от относительной влажности воздуха в безветренную погоду и в отсутствие посетителей. 1 – при температуре наружного воздуха 150С; 2 - при температуре наружного воздуха 250С І./ч
Следует также отметить, что в разгар курортного сезона в результате притока отдыхающих численность горожан значительно увеличивается, что, как показали результаты проведенных исследований (рисунки 2.22, 2.23), также оказывает влияние на состояние воздушной среды города-курорта.
Обработка результатов экспериментальных данных с использованием программного комплекса STATISTIKA, показала, что доля содержания мелкодисперсных частиц в разных зонах города при разных метеорологических и прочих условиях может описываться зависимостями вида: п - интенсивность движения автотранспорта, ч – \ Значимость коэффициентов в уравнениях регрессии (2.1) и (2.2) проверялась по критерию Стьюдента [19]. Значение критерия Кохрена для значений РМю и РМ2j5 во всех экспериментах имело значение менее критического. Поэтому можно сделать вывод о воспроизводимости полученных результатов [19]. Адекватность проверялась по критерию Фишера. При уровне значимости q = 0,05 расчетное значение критерия Фишера меньше табличного значения, т.е. уравнение адекватно описывает экспериментальные данные [19]. Значения коэффициентов щ и Ьи полученные по результатам обработки экспериментальных данных, приведены в таблицах 2.5 и 2.6 соответственно. Таблица 2.5 - Значения коэффициентов щ в выражении (2.1)
Наименование зоны а0 а± а2 а3 a4 a5 Некоторые результаты сопоставления экспериментальных данных о содержании мелкодисперсных частиц в разных зонах г. Ессентуки и данных, полученных по результатам расчетов по выражениям (2.1) и (2.2) представлены в таблицах 2.7 и 2.8.
Результаты анализа полученных данных позволяют сделать следующие выводы. В парковой зоне основное влияние на содержание мелкодисперсных частиц в воздушной среде оказывают климатические факторы и интенсивность перемещения людей. При этом наличие частиц РМ10 отмечается в течение всего года. При повышении температуры наружного воздуха выше 50С их количество резко возрастает, с увеличением Таблица 2.7 - Сопоставление экспериментальных и расчетных данных по содержанию в воздушной среде разных зон частиц РМ Содержание частиц РМ10, %
Результаты эксперимента ьных исследований по оценке концентрации мелкодисперсной пыли в различных зонах г. Ессентуки
Для определения концентрации мелкодисперсной пыли в воздушной среде города-курорта Ессентуки отборы проб проводились в разные периоды года (таблица 2.2) в 44 точках, размещение которых показано на рисунке 2.3 и в таблице 2.3. Измерения содержания мелкодисперсных частиц пыли в воздушной среде проводились с помощью электроаспиратора ЭА-1А, который предназначен для отбора разовых проб в поглотительные приборы с целью дальнейшего определения запыленности атмосферного воздуха и воздуха в жилых помещениях.
Для оценки концентрации мелкодисперсных частиц использовался подход, совместно разработанный и обоснованный исследователями и специалистами ОАО «Научно-исследовательский институт охраны атмосферного воздуха (НИИ «Атмосфера»)» и ООО «ПТБ Волгоградгражданстрой» [124]. При этом для расчета массового состава частиц РМ10 и РМ2,5 принималось либо фоновое значение концентрации взвешенных частиц в атмосферном воздухе города-курорта Ессентуки, равное 0,2 мг/м3 в соответствии с информацией, предоставленной ГУ «Ставропольский ЦГМС», либо проводились измерения автором с использованием оборудования аккредитованной лаборатории ООО «ПТБ Волгоградгражданстрой». Содержание РМю в атмосферном воздухе в /-той точке в соответствии с упомянутым выше подходом определялось по формуле [124] (PM10)i= Di(d4 = 10MKM)Q (3.1) где Dt(d4 = 10 мкм) - интегральная функция распределения массы частиц по диаметрам в /-той точке отбора проб; Ct - концентрация взвешенных частиц в /-той точке отбора проб. Аналогично для РМ2j5 (РМ2 5) = Di(d4 = 2,5MKM)Q (3.2)
Результаты определения фракционного состава и концентрации пыли, отобранной в точке 15: а - интегральная функция распределения массы частиц по диаметрам, б - изменение фракционной концентрации пыли в атмосферном воздухе на территории курортного парка На рисунке 3.1 в качестве примера представлены результаты оценки дисперсного анализа (рисунок 3.1, а) и фракционной концентрации (рисунок 3.1, б) пыли, отобранной в точке 15 в курортном парке - источник «Новая». Значения доли частиц (рисунок 3.1, а) составляют: для РМ10 - 23 %, для РМ2j5 - 0,3 %. Приняв, что С = 0,2 мг/м3, рассчитываем концентрацию мелкодисперсной пыли по формулам (3.1) и (3.2). Тогда получим (рисунок 3.1, б) (PM10)15 = 0,23-0,2 = 0,046 мг/м3 = 46 мкг/м3
Результаты экспериментальных исследований по оценке концентрации мелкодисперсной пыли в различных зонах г. Ессентуки Результаты экспериментальной оценки концентрации мелкодисперсной пыли в воздушной среде рекреационных зон города-курорта Ессентуки в различные периоды года представлены на рисунках 3.2-3.4.
На рисунке 3.2 показаны границы изменения фракционной концентрации пыли в атмосферном воздухе на территории парка Победы. На рисунке 3.3 приведены экспериментальные данные об изменении фракционной концентрации пыли в атмосферном воздухе на территории курортной зоны без движения автотранспорта. Аналогичные результаты для курортной зоны с движением автотранспорта представлены на рисунке 3.4. Полученные данные б в
Границы изменения фракционной концентрации мелкодисперсной пыли в атмосферном воздухе на территории курортной зоны с движением автотранспорта: а – в период года I; б - в период года II; в - в период года III свидетельствуют о том, что концентрация частиц РМ10 и РМ2,5 в воздушной среде рекреационных зон г. Ессентуки не превышает установленные гигиенические нормативы. Результаты исследований по оценке концентрации мелкодисперсных частиц в атмосферном воздухе городской жилой застройки представлены на рисунке 3.5. Такие же данные для жилой застройки на ст. Ессентукская приведены на рисунке Границы изменения фракционной концентрации мелкодисперсной пыли в атмосферном воздухе на территории городской жилой застройки: а – в период года I; б - в период года II; в - в период года III
В жилых зонах также не выявлено превышение ПДК для частиц РМ10 и РМ2,5. Однако на территории промышленной зоны г. Ессентуки в теплый период года наблюдается превышение норматива, установленного для частиц РМ10 (рисунок 3.7).
Границы изменения фракционной концентрации мелкодисперсной пыли в атмосферном воздухе на территории промзоны: а – в период года I; б - в период года II; в - в период года III размера, в частности частиц РМ10, в одной и той же точке могут колебаться в значительных пределах (например, рисунок 2.4, 2.5). При этом для оценки качества атмосферного воздуха особенно важно знать вероятность превышения содержания мелкодисперсных частиц нормативных значений для различных зон города-курорта. В случае отсутствия постов наблюдения с непрерывным проведением измерения для теоретического расчета воспользуемся математическим аппаратом с использованием последовательности случайных величин.
В каждой из точек проведения замеров 1-44 (рисунок 2.3) содержание частиц РМ10можно рассматривать как значения при d4 = 10 мкм в реализациях случайных функций фракционной концентрации Q(d4) [1]. Тогда {Q(10)}n можно рассматривать как последовательность случайных величин, и анализировать закономерности распределений максимумов и минимумов [1, 41, 70, 114].
Пусть Ci(C1,C2...Crx) - последовательность независимых и одинаково распределенных случайных величин, а Мп - максимум первых п из этих величин, т.е. Мп = тах(С1,С2,...Сп) (3.3) Например, Ct - это концентрация частиц РМ10 или РМ2,5 и пр. при -том замере в атмосферном воздухе в точке или на участке территории. Очень важно, что это - не результат, полученный при обработке одной пробы, а результат измерения по соответствующей методике [83] с отбором, например, 5-ти проб.
Разработка методических основ мониторинга состояния атмосферного воздуха в курортных городах по загрязнению мелкодисперсными частицами РМ10 и РМ2,5
Главная задача контроля дисперсного состава пыли в воздушной городской среде - определение состава взвешенных веществ (особенно мелких фракций) и его изменения во времени в воздухе атмосферы. Проводимые одновременно с этим замеры концентрации пыли дают возможность контроля за экспозицией людей в отношении загрязняющих веществ, и проверки соответствия качества воздуха целевым показателям, что необходимо для оценки величины вреда, наносимого здоровью в результате экспозиции по взвешенным веществам, и особенно по мелкодисперсным фракциям.
Для организации системы экологического мониторинга в курортных городах предложена блок-схема, представленная на рисунке 4.1, и являющаяся наиболее универсальным подходом к определению структуры системы мониторинга антропогенных изменений состояния природной среды [50, 111].
На основе результатов выполненных исследований предлагаются следующие практические рекомендации по проведению мониторинга качества воздушной среды в городах-курортах.
1. Наблюдения за состоянием атмосферного воздуха следует проводить в районах интенсивного антропогенного воздействия.
При этом оценка необходимости организации контроля загрязнения воздушной среды в таких зонах должна проводиться на основе результатов предварительных экспериментальных, проводимых в течение 1-2 лет, и теоретических исследований с использованием методов математического и физического моделирования. Такой подход позволяет определить степень загрязнения атмосферного воздуха мелкодисперсной пылью и другими примесями в населенном пункте, где имеются стационарные и передвижные источники выбросов вредных веществ.
2. С учетом специфики городов-курортов наблюдения за состоянием атмосферного воздуха должны проводиться на рекреационных территориях (в курортных и парковых зонах), удаленных от промышленных источников загрязнения, что позволит выявить особенности воздействие фоновых концентраций загрязняющих веществ на окружающую среду.
3. Для получения репрезентативной информации необходимо проведение предварительного обследования метеорологических условий и характера пространственно-временного изменения уровня загрязнения воздуха, в том числе – мелкодисперсной пылью. Для рекогносцировочного обследования целесообразно использование передвижной лаборатории, производящей отбор и анализ проб воздуха во время остановок.
Для этого на карту-схему города наносится регулярная сетка с шагом 0,1, 0,5 или 1,0 км. Затем на местности по специально разработанной программе случайного отбора проб отбираются и анализируются пробы в точках, совпадающих с узлами сетки, наложенной на карту-схему. Для получения статистически достоверных данных о средних значениях измеренных концентраций проводится анализ комбинаций точек на сетке, объединенных в квадраты, например, площадью 2-4 кв. км с учетом скорости и направлений ветра. При этом должна обеспечиваться возможность сравнения полученных результатов с расчетными данными математических моделей, использование которых в этих работах является обязательным.
Если обнаруживается, что существует вероятность роста концентрации примеси выше установленных нормативов, то за содержанием такой примеси в выявленной зоне следует установить наблюдение. Если такой вероятности нет, и отсутствуют перспективы развития промышленности, энергетики, автотранспорта, проведения строительных работ, установление стационарных постов наблюдений за состоянием атмосферного воздуха нецелесообразно. Однако этот вывод не распространяется на организацию наблюдений за фоновым уровнем загрязнения воздуха вне населенных пунктов.
После оценки степени загрязнения атмосферного воздуха вредными примесями, в том числе мелкодисперсной пылью, выбрасываемыми существующими и планируемыми к строительству или пуску источниками, а также характера изменения полей концентрации примесей по территории и во времени следует приступать к разработке схемы размещения стационарных постов наблюдений на территории города и программы их работ. При этом должны учитываться карты загрязнения воздуха, построенные по результатам математического и физического моделирования.
Программа работы постов разрабатывается, исходя из задач каждого измерительного пункта и особенностей изменения концентрации каждой примеси в атмосферном воздухе. Пост наблюдений может давать информацию об общем состоянии воздушного бассейна, если пост находится вне зоны влияния отдельных источников выбросов, и осуществлять контроль за источниками выбросов, если пост находится в зоне влияния источников выбросов.
В обязательном порядке в городах-курортах должны проводиться измерения по наиболее часто встречающимся веществам, загрязняющим городскую воздушную среду - пыль (особенно мелкодисперсная), диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота. Выбор других веществ, требующих контроля, определяется спецификой производства и выбросов в данной местности, частотой превышения ПДК.
Обычно в городе в течение дня отбирается 50-100 проб воздуха для анализа на различные ЗВ. Для оценки состояния атмосферы по городу в целом в течение конкретного дня необходимо использовать обобщенные показатели, одним из которых является концентрация примеси, осредненная по всему городу и по срокам наблюдения данного дня, и определяемая по выражению