Экологический мониторинг городов

2.1. Анализ работы  существующей системы экологического мониторинга за качеством атмосферного воздуха

Объект исследования – современное состояние воздушного бассейна города Темиртау, анализ работы существующей системы экологического мониторинга за качеством воздушного бассейна, моделирование процессов рассеивания загрязняющих веществ от  местных, высотных источников выбросов с целью выявления зоны распространения их на приземные концентрации, для разных сезонов года. Разработка рекомендаций для работы Ситуационного центра.

Объектом научного исследования являлись существующая система мониторинга атмосферного воздуха в г.Темиртау, уровень загрязнения атмосферного воздуха, основные источники загрязнения, моделирование территории загрязнения в зависимости от сезона года  и рекомендации по созданию оперативной системы мониторинга.

          Результаты исследований за 2011-2012гг:

Для достижения поставленных задач, в первую очередь  было необходимо изучить современное  состояние загрязнения воздушного бассейна г.Темиртау, выделить основные источники загрязнения, которые имеются в городе,  а также провести анализ работы существующей системы мониторинга. При этом не ставилась задача подвергать критике методику или результаты работы существующей системы. Необходимо было ответить на вопрос на сколько эффективно работает система и сто можно сделать для улучшения ее работы.

Соответственно, вся работа делилась на несколько  этапов:

1) Анализ современного  состояния воздушного бассейна;

2) Изучение основных источников выбросов загрязняющих веществ;

3) Моделирование рассеивания выбросов с предприятий, для определения территорий, где работа этих предприятий сказывается на приземные концентрации, причем для всех сезонов года, для чего необходимо было провести синоптический анализ со случаями, когда наблюдается экстремальные значения ЗВ в городах;

4) Разработка  методических рекомендаций, которые  могли быть использованы при  работе местного Ситуационного  Центра.

Анализ данных г.Темиртау показывает, уровень загрязнения воздуха в городе высокий, а в отдельные месяцы – очень высокий. Индекс загрязнения в среднем многолетнем близок к 8, но в отдельные годы может достигать 13. Максимум загрязнения в годовом ходе приходится на осень и вторую половину зимнего периода. Такой ход ИЗА обусловлен годовым ходом ветра, минимум скоростей которого приходится на осень, а в начале зимнего периода его скорости заметно увеличиваются.

Максимальный  вклад в уровень загрязнения  атмосферного воздуха города Темиртау за последние пять лет вносят фенол  и аммиак, причем внутри сезонные колебания  могут быть значительными.

Практически круглый  год в течение всего периода  анализа средние месячные концентрации взвешенных веществ в Темиртау превышали  ПДК, во все годы минимум концентраций наблюдался весной в апреле – мае, а максимум в конце лета начале осени

В годовом ходе двуокиси серы наблюдается два слабых максимума в зимний и летний периоды. Весной и осенью имеют место слабые понижения концентраций. Именно весной и осенью имеют место наибольшие скорости ветра. В то же время перечисленные  выше отдельные случаи высоких месячных концентраций связи с метеорологическими параметрами не обнаруживают.

Концентрации  оксидов азота несколько выше в тёплую часть года, чем в холодную

Концентрации  оксидов углерода в течение всего  периода наблюдений близки к 1,5 – 2,0 мг/м3, т.е. тяготеют к 0.5 ПДК, исключение составил 2008 г., когда в течение всего года средние месячные концентрации были высокими, а в июле они превысили 1ПДК. Наблюдается слабо выраженный максимум концентраций в летние месяцы.

Концентрации  фенола имеют в годовом ходе максимум в зимний период и минимум летом. При этом средние за год концентрации составляют 5ПДК!

Средние месячные концентрации аммиака близки к 2ПДК  в течение всего года. Основной его максимум концентраций имеет  место весной, а вторичный –  осенью.

В течение всего  года концентрации сульфатов близки к 0,015мг/м³. Годовой ход практически отсутствует. Некоторое исключение составил 2008 г., когда в зимнее-весенний период концентрации сульфатов составляли 0,17 -0,023мг/м³.

Из выполненного анализа видно, что в Темиртау высокие концентрации имеют взвешенные вещества, фенол и аммиак. Кроме того, временами возможны высокие концентрации также оксидов азота, углерода и двуокиси серы

Роль метеорологических  условий в формировании уровня приземных  концентраций загрязняющих веществ (ЗВ) известна. При неизменных величинах выбросов в зависимости от метеоусловий приземные концентрации могут изменяться в два и более раз. Сильные ветры независимо от других метеорологических условий могут привести к снижению концентрации ЗВ практически до фонового режима. Штили в сочетании с приземными инверсиями и низкими температурами воздуха могут наоборот увеличить приземные концентрации по сравнению с нормой в несколько раз.

Понятно поэтому, что в данном исследовании нами уделено большое внимание метеорологическим (аэросиноптическим) условиям, при которых имели место экстремальные, в первую очередь экстремально высокие концентрации ЗВ, поскольку именно высокие концентрации опасны для здоровья человека.

Задача решалась двумя путями:

1. Подбирались статистические данные об экстремально высоких концентрациях ЗВ с одной стороны и метеорологическими условиями у земли - с другой;
2. Рассматривались аэросиноптические условия, при которых имели место высокие концентрации ЗВ.

Подход ценен  тем, что, зная особенности условий, мы, по сути, готовы к прогнозу экстремально высоких концентраций ЗВ, поскольку они связанны с конкретными типами процессов, которые мы рассматриваем, не только качественно, но и количественно.

Поскольку все  аэросиноптические ситуации, при которых имели место высокие концентрации ЗВ, рассмотреть невозможно, да и нет необходимости, из-за того, что они  повторяются, мы рассмотрели по одному случаю для каждого из сезонов года. Это является пояснением и приложением к таблицам 1.5 - 1.8, в которых содержатся все случаи высоких концентраций с одной стороны и синоптические положения, при которых это имело место – с другой. Затем такие данные статически обобщены.

К отчету прикладывается анализ аэросиноптических ситуаций по одной на каждый сезон года, что представляется достаточным.

На основе данных об объемах загрязняющих веществ, выбрасываемых  предприятиями города, и необходимых  характеристиках источников выбросов с учетом их координат нами были с помощью программы УПРЗА  смоделированы поля рассеяния загрязняющих веществ по сезонам года. Как известно, программа УПРЗА реализует нормативный документ ОНД-86, прошедший многолетние испытания и показавший, что для равнинной и слабо пересеченной местности алгоритмы расчетов, заложенные в программу, дают вполне удовлетворительные результаты. Документ ОНД-86 был разработан на основе многолетних научных исследований и экспериментов по рассеянию атмосферных примесей, выполненных в институтах экспериментальной метеорологии (ИЭМ), институте прикладной геофизики (ИПГ), Главной геофизической обсерватории (ГГО) и некоторых других.

При моделировании  учитывался ветер скорость и направление. Распределение средних годовых  скоростей ветра в Темиртау такое, что преобладают ветры южных  румбов. Однако повторяемость юго-западного и юго-восточного ветров тоже высокая. В отдельные месяцы преобладают северо-восточные ветры, что сказалось на годовой розе ветров. В то же время сильно выраженной повторяемости ветра какого-либо румба нет. Соответственно, это сказалось и на положении зон рассеяния всех загрязняющих веществ. Они несколько вытянуты с юго-запада на северо-восток и смещены по отношению к городу к северо-западу.

Результаты  моделирования рассеивания примесей показали, что средние годовые  концентрации углерода в городе около 0,6-0,8 ПДК. Они быстро уменьшаются к юго-востоку, 0,05 ПДК наблюдается уже на расстоянии 2-3 км от города и несколько медленнее к северо-востоку и юго-западу. Величина 0,05 ПДК имеет место на расстоянии около 5 км от города.

Средние годовые  концентрации двуокиси серы близки к 1,2 ПДК. Соответственно, изолиния 1,0 ПДК располагается в 2-4 км от города, а изолиния 0,05 ПДК – в 8-9 км.

Концентрации  средних взвешенных веществ в  среднем за год близки к 1,4 ПДК. Изолиния, соответствующая 1 ПДК, проходит за пределами  города на расстоянии 2-4 км в зависимости  от направления.

Концентрации  пыли неорганической близки к концентрациям  взвешенных веществ и составляют за год около 1,3 ПДК. Поле рассеяния поэтому сильно напоминает поле рассеяния взвешенных веществ.

Концентрации  оксидов азота в среднем за год близки к 0,7 ПДК. На расстоянии 2-4 км от города его концентрации снижаются  до 0,5 ПДК, а на расстоянии 6-7 км – до 0,05 ПДК.

При моделировании  полей рассеяния загрязняющих веществ  нами не учтены выбросы автотранспорта. Необходимых данных для введения в модель не было. К тому же ее официальный  вариант и не приспособлен для  выполнения таких расчетов.

Анализ данных по другим городам (Усть-Каменогорск, Алматы и др.) позволяет уверенно сделать  вывод, что концентрации загрязняющих веществ от автотранспорта в основном зависят от двух факторов: количества автомобилей на дорогах (улицах) и  метеоусловий, т.е. условий рассеяния выбросов. Такие факторы как скорость движения, пробки, плотность застройки играют, по крайней мере, для Темиртау, второстепенную роль.

Основными загрязняющими  веществами, поступающими от автотранспорта, являются оксид углерода, оксиды азота, а также углеводороды, формальдегид и др. Исходя из количества автотранспорта в городе, можно предположить, что концентрации основных загрязняющих веществ повысились бы следующим образом: оксида углерода – на 0,2 ПДК, оксидов азота – на 0,3 ПДК. Концентрации других загрязняющих веществ вырастут незначительно.

 При анализе существующей сети мониторинга в Усть-Каменогорске и Темиртау на предмет качества атмосферного воздуха в городе, показано, что существующая сеть мониторинга позволяет отслеживать только долгопериодные и усредненные изменения концентраций ЗВ. Для обеспечения большего пространственного и временного разрешения требуется увеличение числа пунктов и сроков отбора проб. Несмотря на хорошее качество данных, нынешняя сеть мониторинга, даже при её расширении, не может быть включена в какую бы то ни было оперативную сеть. Для этого потребуется переоборудование пунктов сети автоматическими датчиками измерений всех параметров атмосферы. Кроме того желательно ввести дополнительные измерения - поставить станцию акустического или радиоакустического зондирования. Это существенно улучшило бы качество прогнозов НМУ в каждом из городов. Кроме того, это способствовало бы и более глубокому анализу условий загрязнения.

Важной задачей  исследования являлось дать общие рекомендации по Ситуационному Центру, который должен осуществлять оперативный мониторинг воздушного бассейна города. Для этой цели авторами были изучены нормативные документы и требования, которые регламентируют порядок работы автоматизированных систем. Изучены существующие системы экологического мониторинга в странах ближнего и дальнего зарубежья. Сформулированы задачи Центра, его техническая оснащенность требования к персоналу. Представлена модель информационных потоков при возникновении неблагоприятных условий, для оперативного принятия решений, сделаны предпосылки для создания Республиканского Центра по сбору и хранению информации.

В качестве рекомендаций даны три варианта расположения наблюдательных автоматизированных постов: 1) Европейский стандарт (42 поста); 2) Улучшенный 22 поста; 3) Сокращенный 13 постов.

Схема расположения постов включает в себя прилегающие  к городу территорию, которая подвергается негативному влиянию предприятий, (по результатам моделирования распространения  загрязняющих веществ за все сезоны).

Отдельно сформулированы требования и рекомендации к оперативной  системе контроля за воздушным бассейном  города, дан анализ оперативной системы  предупреждения службы ЧС, а также  изложены подходы к проектированию таких систем в дальнем зарубежье.

Предложены  рекомендации: открыть метеорологическую  станцию в Темиртау, а в Усть-Каменогорске поставить станцию акустического  или радиоакустического зондирования, Это существенно улучшило бы качество прогнозов НМУ в каждом из городов. Кроме того, это способствовало бы и более глубокому анализу условий загрязнения, а, значит, открывало бы для исследований большее пространство.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

    Увеличение масштабов загрязнения атмосферы требуют быстрых и эффективных способов защиты её от загрязнения, а также способов предупреждения вредного воздействия загрязнителей воздуха. Атмосфера может содержать определённое количество загрязнителя без проявления вредного воздействия, т.к. происходит естественный процесс её очистки.  
Первым шагом в установлении вредного воздействия, связанного с загрязнением воздуха, является разработка критерия качества воздуха, а также стандартов качества.

   Стандарты качества определяют уровни качества воздуха и предельно допустимые выбросы (ПДВ), которые необходимо выдерживать для обеспечения безопасности жизни.