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 экспериментальных 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 зарубежных и российских подходов к норимрова-нию качества атмосферного воздуха в населенных пунктах по пылевому загрязнению
- Исследования фракционного состава пыли в различных зонах города-курорта Ессентуки
- Результаты экспериментальных 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
Введение к работе
Актуальность избранной темы. В современном мире одной из глобальных проблем является уровень пылевого загрязнения атмосферного воздуха в городах. Ситуация является прогнозируемой для промышленных зон, где концентрация вредных веществ зачастую может намного превышать допустимые нормативы. В этих случаях необходимо проводить расчеты по выбросам вредных веществ в атмосферу, установление их концентрации на границе санитарной зоны промышленных предприятий, а также проводить наладку и подбор обеспыливающего оборудования. По-другому складывается ситуация в городах, где нет промышленных предприятий или они не определяют уровень загрязнения городской воздушной среды. В таких случаях имеет место является присутствие мелкодисперсной пыли пыли как природного, так и техногенного происхождения, приносимой на территорию ветром и необходимым условием оценки вредного воздействия на здоровье человека является определение содержания в воздушной среде частиц РМ10 и РМ2,5. Главным эффектом воздействия от вдыхания мелкодисперсных частиц на организм человека является их проникновение в верхние дыхательные пути и легкие, что вызывает повреждение легочной ткани и респираторные заболевания. В мировой практике с учетом рекомендаций Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в ряде стран, в том числе и в России, осуществлен переход на нормирование содержания в воздушной среде населенных пунктов мелкодисперсной пыли. Так, введенные в действие гигиенические нормативы ГН 2.1.6.2604-10 с 21 июня 2010 года устанавливают предельно-допустимую концентрацию (ПДК) в атмосферном воздухе населенных мест для взвешенных веществ частиц размером менее 10 мкм (РМ10) и для частиц размером менее 2,5 (РМ2,5).
Несмотря на всю привлекательность региона Кавказских Минеральных Вод (КМВ), здесь существуют серьезные проблемы, связанные с загрязнением уникальной природной среды, требующие незамедлительного решения. Для
этого организуется и проводится мониторинг по ряду экологических характеристик региона КМВ – запыленность и загазованность воздушной среды городов-курортов, радиационный фон территорий, шумовые загрязнения и т.д. – с целью выявления их влияния на социально-экологическое благополучие курортных городов.
Однако в настоящее время практически отсутствует опыт исследования
загрязнения городской воздушной среды мелкодисперсной пылью, отсутствует
опыт мониторинга содержания такой пыли в воздухе жилых зон и, в частности,
оценок закономерностей распространения частиц РМ10 и РМ2,5 на городских
территориях, где не превалирует промышленная пыль – курортные, парковые
зоны и т.д. Поэтому исследования, направленные на изучение особенностей
пространственно-временного распределения мелкодисперсной пыли в
воздушной среде городов-курортов, являются актуальными.
Работа выполнялась в соответствии с тематическими планами научно-
исследовательских работ ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный
университет» и ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-
строительный университет».
Степень разработанности темы. Разработке научных и методических основ организации мониторинга состояния городской воздушной среды посвящены работы многих исследователей – Безуглой Э.Ю., Берлянда М.Е., Вызовой И.Л., Герасимова И.П., Горелика Д.О., Израэля Ю.А., Маниты М.Д., Седовой А.П., Сидоренко В.Ф., Смирнова В.И., Тихоновой И.О., Чельцова А.В. и многих других. Результаты исследований загрязнения воздушной среды города мелкодисперсной пылью приводятся в небольшом количестве трудов, например, Азарова В.Н., Тертишникова И.В. и др. Однако в этих работах в основном рассматриваются проблемы загрязнения атмосферного воздуха на территории крупных промышленных центров.
С другой стороны, в регионе КМВ, хотя и осуществляется мониторинг запыления атмосферного воздуха, однако определение концентрации твердых
взвешенных частиц осуществляется как суммация всех частиц пыли без разделения по фракциям.
В настоящей работе приводятся данные о фракционном составе и концентрации мелкодисперсной пыли в воздушной среде города-курорта, полученные по результатам проведенных исследований на примере г. Ессентуки с учетом особенностей зонирования городской территории, климатических факторов и сезонного изменения численности населения.
Цель работы – обеспечение экологической безопасности городов-курортов на основе результатов исследований закономерностей пространственно-временного распределения мелкодисперсной пыли в городской воздушной среде.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- анализ состояния воздушной среды в городах-курортах Кавказских
Минеральных Вод;
- анализ зарубежных и российского подходов к нормированию качества
атмосферного воздуха населенных пунктов по пылевому загрязнению;
- анализ адсорбционной способности пылевых частиц в атмосфере городов;
анализ опыта организации мониторинга пылевого загрязнения городской воздушной среды;
экспериментальная оценка фракционного состава и концентрации пыли в воздушной среде в различных зонах города-курорта Ессентуки (рекреационных, жилых, промышленной) с учетом метеорологических условий;
- оценка влияния различных факторов на содержание мелкодисперсной
пыли (РМ10 и РМ2,5) в воздушной среде в различных зонах города-курорта
Ессентуки;
- сравнительный анализ уровней загрязнения мелкодисперсной пылью
воздушной среды курортных и промышленных городов;
- исследование максимумов концентраций мелкодисперсной пыли (РМ10 и
РМ2,5) с использованием последовательностей случайных величин;
- экспериментальная оценка скорости оседания пыли;
- оценка соответствия действующим гигиеническим нормативам
концентраций мелкодисперсных частиц РМ10 и РМ2,5 в воздушной среде в г.
Ессентуки;
- разработка методических основ организации мониторинга уровня
загрязнения воздушной среды городов-курортов мелкодисперсной пылью.
Научная новизна работы:
- по результатам натурных исследований получены зависимости,
характеризующие процентное содержание частиц РМ10 и РМ2,5 в атмосферном
воздухе на территории различных зон с учетом температуры и относительной
влажности наружного воздуха, скорости ветра, интенсивности движения людей
и автотранспорта;
- на основе результатов исследований, проведенных в натурных условиях,
получены зависимости для определения процентного содержания частиц РМ10
и РМ2,5 в воздушной среде городской жилой застройки с учетом удаленности от
промышленной зоны при изменении метеорологических параметров, а также
интенсивности движения людей и автотранспорта;
- получены данные о фракционном составе мелкодисперсной пыли,
содержащейся в атмосферном воздухе на территории разных зон курортного
города, и показана целесообразность применения способа интерполяции
функции пофракционного распределения массы с помощью приближения двух-
и трехзвенными сплайнами для обработки результатов дисперсионного анализа
исследуемой пыли;
- показано, что при оценке качества атмосферного воздуха для различных
зон города-курорта в случае отсутствия постов с непрерывным проведением
измерений для определения вероятности превышения содержания
мелкодисперсной пыли нормативных значений целесообразно использование
последовательностей случайных величин;
- получена экспериментальная зависимость, характеризующая скорость
оседания мелкодисперсных пылевых частиц, содержащихся в атмосферном
воздухе города-курорта.
Теоретическая и практическая значимость работы:
доказано положение о том, что для определения вероятности превышения содержания мелкодисперсной пыли нормативных значений целесообразно использование последовательностей случайных величин;
применительно к проблематике диссертации результативно использованы: экспериментальные методики определения основных свойств пыли; методика микроскопического анализа фракционного состава пыли;
изложены экспериментальные зависимости, характеризующие процентное содержание мелкодисперсных частиц РМ10 и РМ2,5 в атмосферном воздухе в различных зонах города-курорта;
- раскрыто влияние метеорологических параметров, интенсивности
перемещения людей и автотранспорта, а также расстояния до промышленной
зоны на фракционный состав и концентрацию пыли в воздушной среде
курортного города;
- изучено изменение фракционного состава и концентрации пыли в
атмосферном воздухе разных зон города-курорта с учетом метеорологических
параметров, интенсивности перемещения людей и автотранспорта, а также
расстояния до промышленной зоны.
разработаны электронные карты г. Ессентуки с нанесением значений содержания взвешенных частиц РМ10 и РМ2,5 в атмосферном воздухе, учитывающие источники их возникновения и метеорологические условия;
определены пределы и перспективность практического использования полученных зависимостей для определения процентного содержания частиц РМ10 и РМ2,5 в воздушной среде курортного города с учетом удаленности от промышленной зоны при изменении метеорологических параметров, а также интенсивности движения людей и автотранспорта;
- создана система практических рекомендаций по организации в городах-
курортах системы мониторинга качества атмосферного воздуха по загрязнению
мелкодисперсными частицами РМ10 и РМ2,5.
Методология и методы диссертационного исследования включали в себя:
аналитическое обобщение известных научных и технических результатов;
планирование эксперимента; проведение лабораторных и натурных
исследований; обработку экспериментальных данных методами
математической статистики и корреляционного анализа.
Положения, выносимые на защиту:
- полученные по результатам натурных исследований зависимости,
характеризующие процентное содержание частиц РМ10 и РМ2,5 в атмосферном
воздухе на территории парковых и курортных зон с учетом температуры и
относительной влажности наружного воздуха, скорости ветра, интенсивности
движения людей и автотранспорта;
- установленные на основе результатов исследований, проведенных в натурных условиях, зависимости для определения процентного содержания частиц РМ10 и РМ2,5 в воздушной среде городской жилой застройки с учетом удаленности от промышленной зоны при изменении метеорологических параметров, а также интенсивности движения людей и автотранспорта;
положение о том, при оценке качества атмосферного воздуха для различных зон города-курорта в случае отсутствия постов с непрерывным проведением измерений для определения вероятности превышения содержания мелкодисперсной пыли нормативных значений целесообразно использование последовательностей случайных величин;
экспериментальная зависимость, характеризующая скорость оседания мелкодисперсных пылевых частиц, содержащихся в атмосферном воздухе города-курорта.
Степень достоверности результатов:
- для экспериментальных работ результаты получены с использованием
современного поверенного высокоточного оборудования и программных
средств, разработанных в ВолгГАСУ;
идея базируется на анализе практики и обобщении опыта исследований в области оценки и обеспечения качества атмосферного воздуха в населенных пунктах;
использовано сравнение авторских данных и данных, полученных ранее в независимых источниках по рассматриваемой тематике;
- установлено качественное и количественное совпадение авторских
результатов с данными результатов, представленных в независимых
источниках, по исследованию пылевого загрязнения городской воздушной
среды;
- использованы современные методики обработки и сбора информации о
фракционном составе пыли, содержащейся в атмосферном воздухе города-
курорта, с помощью прикладной программы DUST 1, разработанной в
ВолгГАСУ.
Апробация результатов. Основные положения и результаты работы
докладывались и получили одобрение на: международной научно-практической
конференции «Проблемы охраны производственной и окружающей среды» (г.
Волгоград, 2013 г.); XI международной научной конференции «Качество
внутреннего воздуха и окружающей среды» (г. Волгоград, 2013 г.); III
всероссийской научно-практической конференции «Молодежь, наука,
инновации» (г. Грозный, 2014 г.); ежегодных научно-практических
конференциях профессорско-преподавательского состава ФГАОУ ВПО
«Северо-Кавказский федеральный университет» (г. Пятигорск, 2012-2014 г.г.);
ежегодных научно- практических конференциях профессорско-
преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» (г. Волгоград, 2012-2015 г.г.).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 9 работах, в том числе в 3 статьях, опубликованных в рецензируемых научных изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.
Общий объем работы 130 страниц, в том числе: 110 страниц – основной текст, содержащий 25 таблиц на 27 страницах, 43 рисунка на 39 страницах; список литературы из 138 наименований на 16 страницах; приложение на 4 страницах.
Анализ зарубежных и российских подходов к норимрова-нию качества атмосферного воздуха в населенных пунктах по пылевому загрязнению
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].
Исследования фракционного состава пыли в различных зонах города-курорта Ессентуки
При проведении широкомасштабных исследований дисперсного состава взвешенных веществ, содержащихся в атмосферном воздухе городов-курортов КМВ, применялась методика микроскопического анализа [1, 6, 7, 10, 13, 51, 73, 83, 97, 128]. Данная методика апробирована и рекомендована к использованию при проведении исследований содержания мелкодисперсных частиц пыли РМ10 и РМ2,5 [83]. При обработке результатов микроскопического анализа, а также при проведении исследований по оценке скорости оседания частиц мелкодисперсной пыли использовалась программа обработки изображений частиц DUST 1, разработанная в ФГБОУ ВПО ВолгГАСУ и получившая свидетельство о государственной регистрации [97].
Для анализа фракционного состава пыли и определения концентраций частиц РМ10 и РМ2,5 проводились отборы проб в 44 точках г. Ессентуки в указанные в п.п. 2.1 периоды года. Расположение точек измерения показано на рисунке 2.3. При этом были выделены 5 зон: курортная зона без движения автотранспорта, курортная зона с движением автотранспорта, парк Победы, жилая зона, промышленная зона. Перечень объектов и точек отбора проб в выбранных зонах приведен в таблице 2.3. Особо были выделены следующие точки: - курортный парк (источник №4) - предполагаемая чистая зона; - котельная на территории санаторного комплекса «Виктория»; - завод ЖБИ (расположен на границе г. Ессентуки и г. Пятигорска в промышленной зоне). Пробы отбирались у проходной завода; - городская квартира - жилая комната. Пробы отбирались на уровне зоны дыхания (1,5 м от пола), под потолком и на уровне пола; - пригородный частный дом (ст. Ессентукская - жилая комната). Пробы отбирались на уровне зоны дыхания (1,5 м от пола), под потолком и на уровне пола. Рисунок 2.3 – Расположение точек проведения измерений загрязнения атмосферного воздуха мелкодисперсной пылью в г. Ессентуки. 1-44 – номера точек отбора проб
Курортная зона сдвижениемавтотранспорта ж/д вокзал 21 санаторий им. Анджиевского военный санаторий 22 ООО «Понтос Плаза». санаторий «Шахтер» 23 санаторий «Центросоюз» грязелечебница им. Н.А. Семашко 24 санаторий «Металлург» санаторий «Надежда» 25 санаторий «Украина» ЗО
Жилая зона спортивная школа 31 пожарная часть № 19 гимназия «Интеллект» 32 ОАО «Сбербанк России» ТЦ «Жемчужина» 33 кинотеатр «Искра» здание мирового суда 34 Ессентукскаягородскаябольница МОУ СОШ №8 35 Парк Победы территория парка 40-44 При отборе проб пыли, содержащейся в атмосферном воздухе, фиксировались следующие факторы: климатические (температура и относительная влажность воздуха, скорость ветра); интенсивность перемещения людей; интенсивность движения автотранспорта; расстояние от промышленной зоны до точки отбора проб.
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 измерения скорости ветра использовался анемометр цифровой ИСП-МГ4 (разработчик и изготовитель СКБ «Стройприбор») с диапазоном измерения скорости воздушного потока от 0,1 до 30 м/с. Для измерения температуры и относительной влажности наружного воздуха в точках отбора проб был использован термометр цифровой электронный RSTO 6412/S412 с диапазоном измерения температуры от – 500С до 700С и относительной влажности от 1% до 99%. При отборе образцов на уровне пола использовался полиэтиленовый липкий скотч, который накладывался на запылённую поверхность липкой стороной. Для сохранения структуры пылинок скотч не придавливался. Полученные образцы прикреплялись к предметным стёклам, закреплялись в штативе с интервалом 1-2 сантиметра. Образцы не касались друг друга, что позволило доставлять их в лабораторию для дальнейшего рассмотрения под микроскопом, не нарушив структуры пылинок.
Парки курорта Ессентуки имеют важное рекреационное и лечебное значение. Основной курортный парк как бы разделяет курортную и городскую зоны. Курортный парк, разбитый в 1848 г., занимает площадь более 60 га, и по особенностям рельефа делится на Верхний и Нижний.. В самом парке проложены пешеходные дорожки, маршруты терренкуров с указанием станций, а также выделены места для отдыха. В курортном парке Ессентуки расположена питьевая галерея, являющаяся историческим и архитектурным памятником. На центральной аллее находится главный павильон источника Ессентуки № 4. Нижняя аллея центрального парка - дорога здоровья. В парке размещены Верхние и Нижние ванны, отделение механотерапии, ингаляторий, павильон лечебной физкультуры, шахматный павильон, спортивные площадки для настольного тенниса, танцплощадка, летний аэросолярий. Вблизи питьевых источников расположены диетические столовые и кафе. Второй парк курорта Ессентуки - парк Победы - интенсивно благоустраивается последние 20 лет. В удобных местах расположены питьевой павильон источников №4 и №17, читальня, летний аэросолярий, аттракционы.
Как отмечалось выше, к рекреационным зонам, в которых проводились замеры, можно отнести: курортную зону без движения автотранспорта (точки 11-20); курортную зону с движением автотранспорта (точки 21-30); парк Победы (точки 41-44).
Результаты экспериментальных исследований по оценке концентрации мелкодисперсной пыли в различных зонах г. Ессентуки
Для определения скорости оседания пылевых частиц был применен метод седиментометрии в воздушной среде, который также является одним из методов определения фракционного состава исследуемого материала [73]. Был использован воздушный седиментометр, схема которого показана на рисунке 2.24.
Прибор имеет седиментационный цилиндр, высота и диаметр которого составляют 1500 мм и 180 мм соответственно. В верхней части цилиндра имеется специальное распыливающее устройство, в котором осуществляется распыливание исследуемого порошка, обеспечиваемое посредством резкого воздушного толчка. Образовавшееся облачко пыли попадает в верхнюю часть цилиндра. где под действием силы тяжести в неподвижном воздухе происходит осаждение частиц с разной скоростью. Под нижним основанием цилиндра размещается ленточный транспортер с уложенной на нем лентой скотча, на которую падают оседающие пылевые частицы. Через одинаковые промежутки времени лента рывком перемещается на отрезок, соответствующий диаметру цилиндра. Для математической обработки экспериментальных данных использована компьютерная автоматизированная система DUST 1, разработанная в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете [83]. Программа позволяет определять эквивалентный диаметр частиц, как среднюю величину для частиц с одинаковой скоростью оседания, и геометрический коэффициент формы г [51]. Для этого программа выполняла соответствующие операции в следующей последовательности: 1). определяется реальная площадь частицы; 2). определяется наибольший диаметр частицы; 3). подбирается частица в форме эллипса с осью « », которой соответствует наибольший диаметр частицы, и с площадью, равной площади частицы; 4). определяется размер эллипса по оси «»; 5). рассчитывается геометрический коэффициент формы частицы (отношение размера по оси «» к размеру по оси «»); 6). рассчитывается средний геометрический коэффициент формы, соответствующий данному эквивалентному диаметру.
На основании полученных результатов построена графическая зависимость, характеризующая значения среднего геометрического коэффициента формы при разных эквивалентных диаметрах частиц (рисунок 2.25). На основе полученных данных построены графические зависимости, характеризующие скорость оседания частиц при разных значениях среднего Krcp
Зависимость, характеризующая скорость оседания частиц пыли для разных значений d3 ср. - расчетная кривая по (2.14); - экспериментальные геометрического коэффициента формы Кг ср (рисунок 2.26) и среднего эквивалентного диаметра частиц d3ср (рисунок 2.27). Математическая обработка экспериментальных данных показала, что скорость оседания частиц исследуемой мелкодисперсной пыли в зависимости от размеров и формы описывается выражением (2.3) voc = exp(a)d vKrmcv (2.3) где а,п,т - постоянные, определенные на основе результатов экспериментальных исследований. Установлено, что значения указанных постоянных составляют: а = - 2,65; п = 0,24; т = - 1,53. Таким образом, выражение (2.3) приобретает вид voc = ехр(- 2,6S)d Kr cl-53 (2.4) Результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных представлены в таблице 2.9. Таблица 2.9 - Экспериментальные и расчетные данные о значениях скорости оседания пылевых частиц Среднийэквивалентныйдиаметрчастиц э ср,мкм Среднийгеометрическийкоэффициентформы г ср Скорость оседания частиц иос, м/с экспериментальные данные расчетные данные расхож-дение, % 2,5 0,94 0,096 0,099 - 3,1 4 0,89 0,125 0,12 4 5 0,9 0,12 0,124 - 3,3 7,5 0,85 0,14 0,15 - 7,1 10 0,82 0,175 0,17 2,9 12,5 0,76 0,21 0,2 4,8 1. По результатам натурного обследования получены данные о содержании мелкодисперсных пылевых частиц РМ10 и РМ2,5 в воздушной среде г. Ессентуки в выделенных для обследования характерных зонах – курортной, жилой и промышленной, а также в воздухе жилых помещений. 2. На основе данных натурных исследований получены зависимости, характеризующие пространственно-временное распределение мелкодисперсных пылевых частиц в воздушной среде города-курорта с учетом климатических параметров и особенностей зонирования территории города. 3. По результатам сопоставления экспериментальных данных выявлено, что содержание частиц РМ10 и РМ2,5 в воздушной среде курортного города и крупных промышленных центров практически одинаково, что подтверждает способность мелкодисперсной пыли практически не осаждаться, находиться в воздухе во взвешенном состоянии и переноситься на большие расстояния. 4. Экспериментально получена зависимость, характеризующая скорость оседания мелкодисперсных пылевых частиц с учетом их размеров и формы.
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».
Разработка методических основ мониторинга состояния атмосферного воздуха в курортных городах по загрязнению мелкодисперсными частицами РМ10 и РМ2,5
Система мониторинга – это информационно-измерительная система, реализуемая на базе совокупности различных средств (технических, программных, информационных, организационных), которые обеспечивают полноту, оперативность, достоверность и сопоставимость информации о состоянии окружающей среды [23, 46, 50, 62, 87, 88, 96, 106, 107, 109, 110, 111, 117, 118, 126].
Основная идея организации мониторинга в городах-курортах состоит: - в рамках экологического мониторинга атмосферного воздуха, как составной части экологического мониторинга – в получении информации о качестве городской воздушной среды, в прослеживании динамики последнего, в выявлении источников загрязнения и в оценке эффективности мер по снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу из этих источников; - в рамках социально-гигиенического мониторинга – в качественной и количественной оценке вредных воздействий мелкодисперсных частиц на население с целью установления вклада пылевого загрязнения в нарушения здоровья, оценки рисков для здоровья, а также контроля соответствия (несоответствия) фактических уровней загрязнения установленным гигиеническим нормативам. Основные принципы мониторинга можно сформулировать следующим образом: - объективность информации; сам процесс должен базироваться на объективных данных, получаемых при обмене информацией между элементами, непосредственно участвующими в производственном процессе, и органами, управляющие ими; данные, которые запрашиваются, должны быть максимально формализованными и легко проверяемыми; информация, которая представляется в обратном направлении, также должна быть конкретной [23, 46, 50, 62, 96, 106, 107, 109, 110, 111, 117, 118, 126]; - сравнимость данных; отслеживание результатов функционирования системы предусматривает и констатацию ее состояния, и изучение происходящих в ней изменений; возможность сравнения появляется только в том случае, если на основе одних и тех же эмпирических показателей исследуется один и тот же объект [23, 46, 50, 62, 96, 106, 107, 109, 110, 111, 117, 118, 126]; - адекватность; предполагается изучение системы на соответствие внешним условиям с учетом их изменения; такая оценка может осуществляться только на основе результатов специально проведенных исследований [23, 46, 50, 62, 96, 106, 107, 109, 110, 111, 117, 118, 126]; - целевое назначение [23, 46, 50, 62, 96, 106, 107, 109, 110, 111, 117, 118, 126]; - прогностичность, т.е. получение данных, которые позволяют прогнозировать будущее состояние системы [23, 46, 50, 62, 96, 106, 107, 109, 110, 111, 117, 118, 126].
Для решения задач оперативного (от несколько часов до 3 суток) и долгосрочного (от 4 суток до 1 месяца) прогнозирования используются известные подходы к моделированию распространения вредных примесей в атмосферном воздухе и прогнозированию загрязнения атмосферного воздуха. В наше стране сейчас наибольшее распространение получила модель Берлянда М.Е., основанная на решении уравнения турбулентной диффузии [25, 26]. Эта модель положена в основу «Методики расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» (ОНД-86), которая широко используется для инженерных расчетов, реализована в программных комплексах для расчетов загрязнения атмосферного воздуха, и сводится к последовательности аналитических выражений, полученных в результате аппроксимации разностного решения уравнения турбулентной диффузии. Результаты расчетов по прогнозированию включают в себя: - при долгосрочном прогнозировании: профили концентраций ЗВ; значения расстояний и опасных скоростей ветра, соответствующих образованию максимальных концентраций ЗВ; значения предельно допустимых выбросов (ПДВ) ЗВ в атмосферу; значения минимальных высот источников выбросов, при которых содержание ЗВ не будет превышать допустимого значения; - при оперативном прогнозировании – получение регрессионных или других видов зависимостей для прогнозирования концентраций ЗВ в другие периоды времени и на заданных расстояниях от источников выбросов; - при идентификации источников загрязнения – выявление возможных источников загрязнения атмосферного воздуха.
В России прогнозирование загрязнения атмосферного воздуха развивается по двум направлениям [23, 46]: для прогноза загрязнения от отдельных источников используется гидродинамический метод, основанный на математических моделях; для прогноза загрязнения от многих источников или в целом по городу - физико-статистический метод, основанный на использовании материалов наблюдений за загрязнением воздуха.