Автореферат к магистерской работе по теме: "Исследование и анализ влияния антропогенных источников на состояние атмосферного воздуха г. Донецка при загрязнении его пылью"
Актуальность: лидирующее место среди наиболее техногенно нагруженных городовУкраины занимает Донецк. На территории города сосредоточено более 60 крупных промышленных предприятий, которые характеризуются как объекты повышенной экологической опасности. Среди них: около 30 предприятий угольной промышленности, около 10 предприятий металлургического и коксохимического комплекса, которые вносят значительный вклад в загрязнение атмосферного воздуха пылью. Повышенный интерес к моей теме объясняется тем, что в последние годы по пыли постоянно наблюдаются превышения как ПДКсс, так и ПДКмр, а любое превышение ПДК приводит к нарушению жизнедеятельности человека, животного и растительго мира.
Цель: проанализировать влияние антропогенных источников на состояние атмосферного воздуха города Донецка при загрязнении его пылью.
Научная новизна моей работы состоит в том, что для предприятий, вносящих наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха пылью, будут построены карты рассеивания по пыли. Проанализировав которые, можно будет предложить схему расположения стационарных постов наблюдения за концентрацией загрязняющего вещества, с целью своевременного контроля и принятия необходимых мер для её снижения.
Задачи исследования:
1. Определить предприятия, вносящие наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха пылью.
2. Для этих предприятий построить карты рассеивания по пыли.
3. Разработать схему расположения стационарных постов для наблюдения за концентрацией пыли.
4. Рассчитать уравнения регрессии, учитывая изменившиеся за последние годы метеопараметры, для прогнозирования концентрации пыли в дни с неблагоприятными метеорологическими условиями, с целью уменьшения выбросов от предприятий.
Анализ загрязнения атмосферного воздуха города Донецка пылью
Высокие темпы развития производства, и как следствие, усиленное использование воздушного пространства для промышленных целей, требуют повышенного внимания к охране атмосферного воздуха. Особенно для техногенно нагруженных городов, к которым относится и Донецк. На территории города сосредоточено более 60 крупных промышленных предприятий, которые характеризуются как объекты повышенной экологической опасности. Среди них: около 30 предприятий угольной промышленности, около 10 предприятий металлургического и коксохимического комплекса, которые вносят значительный вклад в загрязнение атмосферного воздуха пылью.
После анализа первичных данных, предоставленых химической лабораторией Донецкого центра гидрометеорологии, была установлена отчетливая тенденция спада запыленности воздуха нашего города с 1981 по 2003 год. В 1981 - 1984 годах среднегодовые концентрации пыли превышали предельно допустимую концентрацию (ПДК) приблизительно в два раза. После этого отмечается резкое ухудшение ситуации.
В 1985 г. наблюдалось шестикратное превышение ПДК. В последующие три года происходил плавный спад концентрации пыли до 3,7 ПДК.
На этом уровне она держалась на протяжении пяти лет. 1993 год характеризуется небольшим подъемом среднегодовой концентрации пыли. После этого отмечается спад вплоть до нормированного уровня в 1997г. Среднегодовая концентрация пылевидных частиц в этом году составила 0,7 ПДК. Такой же показатель был и в 2000г. Незначительное превышение ПДК (в 1,7 раза) произошло в 1998 и 1999 г.г. Состояние атмосферного воздуха г. Донецка в 2001 - 2003 гг. отвечало среднегодовым концентрациям ныли около 2,3 ПДК.
Известно, что любое превышение ПДК уже является опасным для жизнедеятельности человека, животного и растительного мира. Из 23-х проанализированных лет только в двух годах среднегодовые концентрации пыли не превышали нормы. А максимальные годовые концентрации в период с 1985 по 2003 г.г. вообще не опускались ниже допустимого уровня. Постоянство среднегодовых концентраций пыли в 1988 – 1992 годах, спад после 1993 года и подъем в начале XX века отражают состояние промышленного производства в Украине и, в частности, в Донецке.
Наиболее загрязненным пылевидными частицами является Ворошиловский район , где очень часто фиксируются максимумы запыленности воздуха. Этому способствует расположение Донецкого металлургического завода (ДМЗ) в центре города и нескольких участков коксохимического завода (КХЗ), рассредоточенных в разных его районах.
Причем, эти производственные объекты не имеют санитарных зон. Упомянутые заводы при южных, юго-восточных, юго-западных ветрах накрывают факелами практически весь город. Здесь вступают в силу климатические условия местности и необдуманное сооружение высоких дымовых труб предприятий.
Высокие показатели концентрации пыли в 80-е годы XX столетия связаны с недостаточным очистного оборудования в производстве. По состоянию на 1999 год, из 5470 источников выбросов пылегазоулавливающими установками были оснащены 2693 - лишь половина.
Нами были проанализированы данные по концентрациям пыли на пяти постах города Донецка.
Графики годового хода концентрации пыли по постам города показали, что наибольший уровень загрязнения атмосферного воздуха наблюдается на посту № 7, который расположен в районе железнодорожного вокзала. Среднегодовая концентрация пыли в этом районе составляет 1.75 ПДК.
Нами для периода 2002 года был рассчитан показатель М, который представляет собой отношение среднемесячной концентрации пыли к среднегодовой концентрации. Данный показатель используют для построения годового хода концентраций загрязняющих веществ.
По этому показателю, наибольший уровень загрязнения наблюдался в мае месяце, а наименьший - в августе. Была установлена взаимосвязь междуменяющимися метеорологическими условиями и загрязнением атмосферы. В мае месяце чаще, чем в другие месяцы года наблюдались штили и слабые ветра, туманы, выпадало меньшее количество осадков, что и способствовало росту концентраций пыли. По сравнению с августом, в мае месяце на 8 % чаще наблюдались штили, на 3 % больше повторяемость туманов, чаще наблюдались приземные инверсии температуры, меньше была высота слоя перемешивания. Всё это способствовало созданию более высоких уровней загрязнения атмосферного воздуха.
Известно, что рассеивание выбросов промышленных предприятий зависит от направления ветра. Построив розу загрязнения по пыли мы увидели, что наибольшие концентрации на посту № 7 наблюдаются при южном ветре. Средняя концентрация пыли при южном ветре составляет 3.8 ПДК.
Анализ данных полученных на стационарном посту контроля № 4 в районе ДМЗ, показал, что при значениях ПДКсс = 0,15 мг/м.куб и ПДКмр =0 ,5 мг/м.куб за 2002 год наблюдалось около 90 событий с превышением ПДКмр длительностью 1-5 суток, причем 280 суток из 365 среднесуточная концентрация пыли в атмосферном воздухе превышала ПДКсс.
Пыль вместе с оксидами азота и аммиаком, относится к веществам, у которых достаточно высокая вероятность превышения как ПДКсс, так и ПДКмр. Поэтому для этих веществ необходимо в первую очередь создавать муниципальную систему экологического мониторинга атмосферы города. Так как предыдущая система является устаревшей. Это связано с тем, что изменилась инфраструктура города и изменились метеоусловия, влияющие на рассееивание загрязняющих веществ.
Система мониторинга атмосферного воздуха города Донецка
Необходимым условием успешного проведения работ по охране чистоты атмосферы является контроль за состоянием атмосферного воздуха, который дает объективную оценку работоспособности и эффективности всей деятельности по предупреждению загрязнения.
Регулярные наблюдения за содержанием загрязняющих веществ в воздухе города Донецка проводятся с 1964 года органами Гидрометеослужбы.
Научной основой организации системы наблюдений стали результаты широкого комплекса теоретических и экспериментальных исследований распостранения примесей в атмосфере, а также разработки методов химического анализа состава атмосферного воздуха, выполненные в Главной геофизической обсерватории им. Воейкова.
В соответствии с ГСТ 17.2.3.01-81 "Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населённых пунтов" в городе с населением более 1 миллиона жителей, как Донецк должны функционировать 10 - 20 постов наблюдения (стационарных и маршрутных).
Сейчас на территории города Донецка действуют: 6 постов Госкомгидромета, 3 поста санитарно-эпидемиологической службы, 15 постов на предприятиях. Посты Госкомгидромета и санитарно-эпидемиологической службы города предназначены для выявления долгосрочных изменений основных и наиболее распостраненных загрязняющих веществ.
Ещё раз повторю, что в связи с изменившейся инфраструктурой города и изменившимися метеоусловиями, необходимо скорректировать систему мониторинга. Такая система разрабатывается. Планируется, что к 2007 году будут установлены 3 стационарных поста наблюдения и утверждены маршруты для передвижных постов.
На рисунке представлена возможная система наблюдения. Синим цветом указаны существующие посты Госкомгидромета, зелёным - предполагаемые.
Система мониторинга города Донецка
Новизна моей работы состоит в том, что по данным инвентаризации выбросов, в программе ЭОЛ+ будут построены карты рассеивания по пыли для предприятий, вносящих наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха по этому веществу.
Сейчас идёт активный процесс обработки данных по предприятиям. Кроме мощности выбросов, необходимо изучить изменение метеорологических параметров за последние годы в городе Донецке.
Изменение метеорологических параметров за последние годы в городе Донецке
Проблема изучения закономерностей изменения климата была и остается одной из важнейших и трудноразрешимых. Важность и интерес к изучению закономерностей изменения погоды и климата связывают с той огромной ролью, которую они играют в функционировании не только человеческого общества, но и всего живого и неживого мира.
Нами был проанализирован годовой ход таких метеорологических параметров, как температура воздуха, скорость и направление ветра, количество осадков в г. Донецке за 2001-2003 г.
Данные розы ветров показали, что по сравнению с 1980 годом в настоящее время изменилось преобладающее направление ветра с юго-восточного на восточное. Анализ данных по скорости ветра показал, что на протяжении 2001-2003 года среднегодовая скорость ветра оставалась постоянной и равной 4,2 м/с. Годовой ход скорости ветра в 2003 году отличается от предыдущих лет тем, что в осенне-летний период скорость ветра уменьшилась, а в весенний период - увеличилась.
Как показывает анализ годового хода температуры, наиболее высокая июльская температура наблюдалась в 2002 год (32,6 0С), наиболее низкая июльская температура – в 2003 г. Наиболее холодным месяцем года в 2000-2002 г. был январь. Однако, в 2003 и 2004 г. пик холода переместился на февраль месяц. Временные ряды изменения максимальной и минимальной температуры воздуха имеют некоторую цикличность, что требует дополнительного изучения.
Полученные нами графики годового хода метеорологических параметров показали их сложность и наличие цикличности в изменении этих величин. Однако по графикам судить о периодичности изменения скорости ветра, температуры воздуха, количества осадков сложно. Поэтому нами была проведена обработка данных по метеорологическим элементам за период 2001-2003 г. по теории временных рядов. Для анализа временного ряда была использована программа Statgraphics (блок «Анализ временных рядов»).
При прогнозировании временного ряда в его изменчивости выделяют закономерную и случайную составляющие. Закономерные изменения членов временного ряда следуют какому-то определенному правилу и поэтому предсказуемы. Эта составляющая X(t) может быть вычислена при лю-бом значении t. Она называется закономерной или детерминированной составляющей временного ряда (dt). Детерминированная компонента пред-ставляет сумму тренда и сезонной компоненты.
При анализе временного ряда среднемесячных скоростей ветра было установлено, что в нем присутствует сезонная компонента с периодом се-зонности 14 месяцев, что было подтверждено анализом периодограммы. Линия тренда описывается квадратичным уравнением: X(t1) = 3,97+0,038*t1 – 0,0011*t12 , где t1 – номер элемента временного ряда, X(t1) – среднемесячная скорость ветра. Данные прогноза по выбранной модели позволяют сделать вывод о том, что до середины будущего года скорость ветра будет незначительно уменьшаться, затем будет наблюдаться небольшой рост.
Во временном ряду температур наблюдается сезонность с периодом в 12 месяцев. Линия тренда, характеризующая общую тенденцию поведения ряда, описывается экспоненциальной кривой вида:
X(t2) = exp (2,34– 0,014*t2), где X(t2) – значение температуры по месяцам года, оС; t2 – порядковый номер элемента во временном ряду температур.
Во временном ряду количества осадков, построенном по данным за период времени 1949-2004 год, было установлено, что периодичность в изменении количества осадков составляет 10 лет. На основании аддитивной модели, состоящей из случайной компоненты с сезонностью 10 лет и тренда, описываемого моделью скользящего среднего, был составлен прогноз на будущий период 2005-2015 г. Данные этого прогноза отражены в таблице 1.
Таблица 1 – Данные прогноза количества осадков в г. Донецке на период
до 2015 г.
Год
Прогноз количества осадков, мм
Нижний 95 % уровень
Верхний 95 % уровень
2005
480
412
548
2006
499
430
567
2007
525
457
593
2008
522
454
590
2009
526
457
594
2010
532
463
600
2011
506
437
574
2012
496
427
564
2013
498
429
566
2014
487
418
555
2015
478
412
548
Как показывает анализ данных прогноза до 2015 года, максимальное количество осадков в г. Донецке будет наблюдаться в 2010 г. (532 мм), наименьшее количество ожидается в 2015 г. (478 мм). Заметна тенденция уменьшения количества осадков с 2010 года.
Полученные нами данные прогноза согласуются с литературными данными, которые утверждают, что в степной зоне Украины может произойти уменьшение количества осадков. Это явление связывают с глобальным повышением температуры воздуха, которое вызовет перераспределение воздушных масс и как следствие уменьшение количества осадков в одних районах и увеличение количества осадков в других районах.
Прогнозирование концентрации пыли в дни с неблагоприятными метеорологическими условиями
Вопросы регулирования выбросов и прогноза загрязнения атмосферы тесно связаны между собой. Изучение метеорологических параметров и условий загрязнения воздуха являются основой для прогнозирования его состояния, поскольку задание состоит в том, чтоб прогнозировать и предотвращать высокие уровни концентраций, которые создаются во время неблагоприятных метеорологических условий.
Разработку метода прогноза мы начали с выявления периода со значительным загрязнением атмосферы пылью. Потом установили корреляционную зависимость между уровнем загрязнения атмосферы и некоторыми метеорологическими предикторами. Были получены уравнения регрессии для прогнозирования концентрации пыли на будущий период. Для увеличения точности прогноза уравнения рассчитывались по сезонам. Прогнозное уравнение для осени наиболее адекватно.
Оно имеет вид:
Сейчас мы планируем продолжить изучение изменения метеорологических параметров города Донецка более углубленно. И по полученным данным построить новые, более достоверные уравнения регрессии для прогнозирования концентрации пыли на будущий период, с целью снижения выбросов от предприятий, и как следствие, уменьшения загрязнения атмосферного воздуха.
Выводы:
Город Донецк характеризуется повышенным уровнем загрязнения атмосферы. К веществам, по которым наблюдается превышение ПДКсс и ПДКмр относится и пыль. В 2002 году
наблюдалось около 90 событий с превышением ПДКмр длительностью 1-5 суток, причем 280 суток из 365 среднесуточная концентрация пыли в атмосферном воздухе превышала ПДКсс. Зная негативное влияние, которое оказывает пыль на здоровье человека, функционирование животного и растительного мира, возникает необходимость постоянного контроля за её концентрацией. Для этого необходимо установить дополнительные посты наблюдения. Над чем мы сейчас активно работаем. Снизить концентрацию пыли в атмосферном воздухе, особенно в дни с неблагоприятными метеорологическими условиями, помогут уравнения регрессии для прогнозирования концентрации пыли на будущий период. Нами разработаны такие уравнения. Для увеличения точности прогноза уравнения рассчитаны по сезонам года.
Литература
1. Э.Ю. Безуглая. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. Л: Гидрометеоиздат, 1986.-200 с.
2. Э.Ю. Безуглая, Г.П. Расторгуева, И.В. Смирнова. Чем дышит промышленный город.
Л: Гидрометеоиздат, 1991.- 253с.
3. Порядок організації та проведення моніторингу в галузі охорони
атмосферного повітря. Затверджено постановою КМ України від 09.03.99
No 343.
4. РД52.04.186-89. Руководство по загрязнению атмосферы. М.:
Госгидромет 1991.-693 с.
5. Направления создания системы муниципального экологического мониторинга атмосферного воздуха г. Донецк//Р.В. Кишкань, Г.В. Аверин, Донецк, 2004.