Моделирование загрязнения атмосферы территории ясной поляны вредными веществами

В.М. Панарин, А.А. Горюнкова, Ю.Н. Пушилина, Э.В. Ррощупкин
Тульский государственный университет,
г.Тула

В статье описывается проведение моделирования загрязнения атмосферы территории Ясной Поляны оксидом углерода, диоксидом серы и оксидом азота, содержащимися в выбросах прилежащих предприятий, а также сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными.

Статья подготовлена по результатам Государственного контракта П619 «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по теме «Разработка технологий мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы крупных промышленных городов» в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы

Наиболее мощными промышленными загрязнителями Ясной Поляны являются ОАО «Тулачермет» и Косогорский металлургический комбинат, а также ОАО «Щекиноазот», «Щекинский завод РТО». Компания «Щекиноазот» - это группа химических предприятий, включающая акционерные общества «Щекиноазот», «Химволокно», Ефремовский химический завод.

Моделирование загрязнения атмосферы территории Ясной Поляны оксидом углерода, диоксидом серы и оксидом азота, содержащимися в выбросах прилежащих предприятий было проведено с помощью компьютерной программы «Призма-регион», разработанной на основе «Методики расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащих в выбросах предприятий» (ОНД-86).

Этой методикой учитывается влияние на рассеивание выброса таких факторов как фоновые концентрации веществ в атмосфере, рельеф местности и застройки, климатические особенности рассматриваемого региона; учитывается вариант загрязнения с учетом суммации вредного действия нескольких веществ, а так же описаны рекомендации по определению границ санитарно-защитной зоны предприятия. Расчет приземных концентраций вредных веществ ведется на высоте двух метров над поверхностью земли, при неблагоприятных метеорологических условиях, в том числе опасной скорости ветра. Необходимо подчеркнуть, что преобладающим направлением ветра в теплый период года (лето) в нашем регионе является северо-западное, а в холодный период года (зима) – юго-восточное.

Рассматривалось рассеивание следующих вредных веществ: углерод оксида, диоксида серы и диоксида азота.

Моделирование было проведено для двух периодов года (зима, лето) при основных фиксированных скоростях ветра, характерных для нашего региона – 1; 3; 6 м/с.

Количество загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу промышленными предприятиями представлено в таблице 1.

Таблица 1 - Количество загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу

Наименование предприятия	Количество загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу
	Углерод оксид		Азота диоксид		Сера диоксид
	г/с	т/г	г/с	т/г	г/с	т/г
ОАО «Тулачермет»	263,675	2014,328	6,784	57,493	1,273	11,736
ОАО «КМЗ»	125,34	2145,2	25,4	152,0	6,521	56,50
ОАО «Щекиноазот»,	244,44	1370	353,76	2764,57	3,11	11,732
Советская ТЭЦ	277,89	8643,52	10,563	328,548	239,88	7,712
ООО«Щекинский завод РТО»	46,36	166,89	8,2	44,77	2,08	12,729

Коэффициент оседания рассматриваемых вредных веществ в атмосферном воздухе принимаем равным 1, поскольку рассматриваемые вещества можно отнести к группе газообразных веществ и мелкодисперсных аэрозолей таких, как пыли, золы и т.п., скорость оседания которых практически равна нулю.

В данном моделировании, поскольку рассматриваемую местность можно считать ровной или слабопересеченной с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, коэффициент учета рельефа местности принимаем равным 1.

К метеопараметрам, учитываемым при моделировании загрязнения атмосферного воздуха, относятся следующие:

- коэффициент стратификации атмосферы для Тульской области – 140;

- преобладающее направление ветра за июнь-август – СЗ;

- преобладающее направление ветра за декабрь-февраль – ЮВ;

- минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль – 3,4 м/с;

- максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь – 4,9 м/с;

- средняя максимальная температура теплого месяца года (июля) – 24,3⁰С;

- средняя температура самого холодного месяца года (января) – -9,9⁰С.

Осуществляли несколько вариантов моделирования при наихудших метеорологических условиях для теплого периода года с преобладающим северо-западным направлением ветра и для холодного периода года с преобладающим юго-восточным направлением ветра.

По результатам компьютерного моделирования процессов рассеивания в атмосфере загрязняющих веществ, содержащихся в выбросах рассматриваемых предприятий получается следующая картина. Предельно – допустимые концентрации загрязняющих веществ в рассматриваемых контрольных точках составили (Таблица 2-5).

Таблица 2 - Вещество: 0337 – Углерод оксид

№ контрольной точки	Величина ПДК в контрольной точке, доли ПДК
	Лето				Зима
	u =1 м/с	u =3 м/с	С фоном	u =6 м/с	u =1 м/с	u =3 м/с	С фоном	u =6 м/с
1- Музей-усадьба Л.Н. Толстого	0,909	1,074	1,094	1,313	0,903	1,072	1,044	1,304
2- Грумант	0,502	0,451	0,463	0,438	0,493	0,446	0,462	0,458

Таблица 3 - Вещество: 0301 – Азота диоксид; Азот(IV) оксид

№ контрольной точки	Величина ПДК в контрольной точке, доли ПДК
	Лето				Зима
	u=1 м/с	u=3 м/с	С фоном	u=6 м/с	u=1 м/с	u=3 м/с	С фоном	u=6 м/с
1- Музей-усадьба Л.Н. Толстого	0,152	0,220	0,216	0,253	0,150	0,212	0,214	0,239
2- Грумант	0,09	0,105	0,108	0,108	0,081	0,105	0,099	0,099

Таблица 4 - Вещество: 0330 – Сера диоксид; Ангидрид сернистый

№ контрольной точки	Величина ПДК в контрольной точке, доли ПДК
	Лето				Зима
	u=1 м/с	u=3 м/с	С фоном	u=6 м/с	u=1 м/с	u=3 м/с	С фоном	u=6 м/с
1- Музей-усадьба Л.Н. Толстого	0,790	1,104	1,123	1,316	0,781	1,122	1,132	1,307
2- Грумант	0,500	0,646	0,638	0,530	0,441	0,522	0,475	0,495

Таблица 5 - Группа суммации: 6009: 0301+0330

№ контрольной точки	Величина ПДК в контрольной точке, доли ПДК
	Лето	Зима
	u=3 м/с	u=3 м/с
1- Музей-усадьба Л.Н. Толстого	2,214	2,153
2- Грумант	1,984	0,961

Таким образом, незначительное превышение концентраций на территории Музея-усадьбы Л.Н. Толстого наблюдается по углерод оксиду и диоксиду серы при скорости ветра более 3 м/с, а также по веществам группы суммации (более 2 ПДК). По оксиду азота концентрации представляют собой значения десятых и сотых долей ПДК.

Выводы:

1. В зависимости от времени года и от преобладающего направления ветров в это время оказываются в зоне загрязнения различные прилегающие площади.

2. В зависимости от времени года и от преобладающего направления ветров в это время вклад отдельного предприятия в загрязнение определенной территории различен.

3. На основе вышеприведенных рассуждений можно сделать вывод о том, что концентрация вредных веществ на территории Ясной Поляны существенно зависит от метеорологических показателей.

Далее необходимо сравнить результаты моделирования с результатами, полученными экспериментальным путем, так как многолетняя практика такой работы показывает, что данные томов ПДВ, характеризующие нагрузку на атмосферу, составляемые предприятиями (по методике ОНД-86), отличаются от значений, полученных по результатам замеров концентраций вредных веществ в воздухе.

Экспериментальные исследования загрязнения атмосферы Ясной Поляны выбросами предприятий, на предмет рассеивания таких вредных веществ как диоксида серы, диоксида азота и оксида углерода, проводились в теплый период года (лето) с помощью датчиков “Сирена-А-01-8”, “Сирена-А-01-3” и “Палладий-3” для измерения концентрации диоксида серы, диоксида азота и оксида углерода. Преобладающим направлением ветра было северо-западное скорости ветра 3 м/с, температура воздуха 24 °С. Были произведены замеры на территории музея-заповедника «Ясная Поляна», в Грумантах, Козловой засеке, на мосту через Воронку, а также в районе Косой горы. Выбор точек отбора проб был обусловлен преобладающим направлением ветра в день проведения экспериментальных замеров. Превышения ПДК оксида углерода наблюдаются в районе Косогорского металлургического завода, в остальных точках приближаются к единице. В районе музея – усадьбы Ясная Поляна и Козловой засеке наблюдается превышения ПДК диоксида азота. По диоксиду серы превышение наблюдается лишь в районе Грумант, в других же точках не достигают ПДК.

Таблица 6 – Экспериментальные значения концентраций СО, NO₂и SO₂.

Расчетная точка	Результаты эксперимента
Расчетная точка	СО мг/м³	SO₂ мг/м³	NO₂
Грумант	3,78	0,68	0,04
М-У Ясная Поляна	2,12	0,465	0,77
Козлова засека	2,58	0,39	0,1
Мост через Воронку	3,86	0,21	0,05
Косая Гора	12,22	0,35	0,05

Следует подчеркнуть, что результаты эксперимента могут немного не соответствовать реальным значениям за счет влияния загрязняющих веществ автотранспорта.

Сравним концентрации оксида углерода, диоксида азота и диоксида серы, измеренные в результате эксперимента с помощью датчиков “Сирена-А-01-8”, “Сирена-А-01-3” и “Палладий-3”, со значениями их же концентраций, полученных в результате проведения моделирования, основой которого является нормативный документ ОНД –86 «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий».

Сравнение результатов моделирования и результатов эксперимента проведено в таблице 7.

Таблица 7 – Сравнение результатов моделирования и эксперимента

Расчетная точка	Результаты моделирования			Результаты эксперимента
Расчетная точка	СО мг/м³	NO₂мг/м³	SO₂ мг/м³	СО мг/м³	NO₂мг/м³	SO₂ мг/м³
Грумант	2,25	0,009	0,323	3,78	0,04	0,68
М-У Ясная Поляна	5,375	0,0187	0,552	2,12	0,77	0,465

Проанализировав и сравнив данные таблицы можно сделать вывод, что результаты эксперимента немного превышают результаты моделирования, что говорит о возможных неточностях при проведении как компьютерного моделирования, так и экспериментальных замеров.

Расхождение полученных результатов (например, по оксиду углерода) может объясняться метеорологическими условиями, а также возможным изменением режима работы предприятий, вносящих основной вклад в загрязнение оскидом углерода на день проведения эксперимента.

Библиографический список:

1. Алексеев В.А. Адаптивный экологический мониторинг окружающей среды / В.А. Алексеев, А.В. Арефьев, Т.Е. Габричидзе, В.И. Заболотских // Экология и промышленность России. – 2002. – № 10. – С.11-13.

2. Захаров Е.И. Экология / Е.И. Захаров, Э.М. Соколов. – 2ч. – ТулГУ-Тула, Изд-во ТулГУ. – 1999. – 325с.

3. Ивахненко А.Г. Долгосрочное прогнозирование и управление сложными системами / А.Г. Ивахненко. – Киев: Технiка, 1975. – 350 с.

4. Фомин Г.С. Воздух. Контроль загрязнений по международным стандартам: справочник / Г.С. Фомин, О.Н. Фомина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Протектор, 2002. – 432 с.: ил.

Назад к списку