Тынор М.Е.

Тема: Разработка системы мониторинга атмосферного воздуха по аммиаку для города Донецка


Биография Эл.библиотека Отчет о результатах поиска Магистры ДонНТУ Индивидуальное задание Ссылки

Цель работы:Разработать систему мониторинга атмосферного воздуха по аммиаку для города Донецка.

Актуальность и новизна: Мониторинг – это система сбора, обработки и дальнейшей передачи информации для принятия эффективных решений.
Аммиак относится к специфическим загрязнителям города Донецка. Данное загрязняющее вещество контролируется постами Госкомгидромета, количество постов равно четырем. Месторасположения этих постов определялись еще в 1970 – 80 годах, в то время когда формировалась общесоюзная сеть ОГНСКА. При размещении постов учитывались размещение предприятий и климатические факторы. В наше время структура промышленности несколько преобразовалась, изменяются также и климатические параметры. Поэтому существует необходимость пересмотра системы контроля аммиака в атмосферном воздухе города Донецка. Кроме этого предлагается также пргнозировать концентрации аммиака на случай неблагоприятных метеорологических условий. Прогнозного уравнения для Донецка на данный момент не существует, чего нельзя сказать о других примесях (диоксид азота, диоксид серы и т. д.).

ИСТОЧНИКИ ВЫДЕЛЕНИЯ

Существуют как природные, так и антропогенные источники. К первым относят различные микробиологические процессы (разложение, продукт жизнедеятельности почвенных организмов и др.). Ко вторым принадлежат химическая, коксохимическая промышленность, сжигание ископаемого топлива. Хотя количество естественного азота в биосфере практически в два раза превышает антропогенный, следует помнить, что любое добавочное действие может существенно нарушить сложившийся природное равновесие.

РАСПЕДЕЛЕНИЕ АММИАКА В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Поступивший в атмосферу аммиак образует ион аммония, который в свою очередь взаимодействует скислотами и способствует уменьшению кислотности дождевых капель. Реакции аммиака в атмосфере представлены ниже:

NH3 + H2S04 = NH4HSO4

(аммиак + серная кислота = гидросульфат аммония);

NH3 + NH4HS04 = (NH4)2S04

(аммиак + гидросульфат аммония = сульфат аммония);

NH3 + HN03 = NH4N03

(аммиак + азотная кислота = нитрат аммония).

Более наглядно процесс попадания в атмосферу и реакции аммиака представлен на рисунке 1:

Рисунок 1 – Реакции аммиака в атмосфере. Рисунок анимирован.

ПРЕДИКТОРЫ, КОТОРЫЕ ВЛИЯЮТ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Задача изучения метеорологических условий, которые влияют на загрязнение воздуха по городу в целом (на фоновое загрязнение), по ряду причин очень сложная. Для каждого источника выбросов, который создает в городе очаг конйентрации примесей, существуют свои неблагоприятные метеорологические ситуации, которые определяют максимальное загрязнение воздуха. Очевидно, что в городе может наблюдаться опасная совокупность примесей при различных ситуациях.
При статической обработке информации из большого числа одновременно влияющих факторов не всегда можно выделить отдельный фактор. Однако, это не означает, что реальное влияние того или иного фактора на содержание примеси в воздухе отсутствет. Сложность статистического анализа метеорологических условий загрязнение воздуха в городе определяется и тем, что характер зависимостей концентраций примесей от какого-нибудь параметра и теснота связей в ряде случаев зависит от сопутствующих метеоусловий. Далее будет показано, что зависимость загрязнения воздуха от скорости ветра определяется состоянием устойчивости и наоборот, связь концентраций с температурой воздуха, скоростью переноса и т.д.

Влияние направления ветра на загрязнение атмосфер в больших городах, где многочисленные источники выбросов относительно равномерно размещены по территории, как показывает анализ, связи между концентрациями примесей и направлением ветра выражены слабо. В то же время в целом по городу определяются неблагоприятные направления ветра, при которых содержание примесей в атмосферном воздухе повышается. Влияние направления ветра на загрязнение городского воздуха определяется целый ряд факторов , а именно: размещение источников выбросов, рельеф, местная циркуляция, влияние самих объектов на ветровой режим, а также взаимосвязь всех факторов.
Во время анализа загрязнения городского воздуха выявлены два максимума концентраций в зависимости от скорости ветра на уровне флюгера: при штиле и при скорости 4 - 7м/с. Во время штиля основную роль в загрязнении воздуха играют низкие выбросы, особенно зимой. Усиление второго максимума концентраций (при скорости ветра 4 - 7м/с) летом связано с часто возникающими конвективными условиями, во время которых имеет место интенсивное поступление к земле выбросов от высоких источников.

Общими для всех городов и сезонов являются следующие закономерности: – при устойчивой стратификации загрязнение воздуха уменьшается с усиление ветра;
– при неустойчивой стратификации максимум загрязнений воздуха отмечается при скоростях ветра, приближенных к опасным для основных источников выбросов;

Влияние термической стратификации на загрязнение городского воздуха в зависимости от скорости ветра в приземном слое следующие: – загрязнение воздуха в большей мере зависит от термичой стратификации при очень слабых ветрах. При этом усилением устойчивости концентрации примесей в городском воздухе увеличивается;
– при умеренных ветра (приблизительно 3 - 7м/с) с распространением устойчивости загрязнения воздуха уменьшается;
– при сильных ветрах связь между загрязнением воздуха и атмосферной устойчивостью приктически отсутствует;

Характер общего влияния термической стратификации и скорости ветра на состав примесей в городском воздухе для разных городов и всех сезонов года приблизительно одинаковый.

С увеличением температуры воздуха уменьшается высота подъема горячих выбросов и, следовательно, увеличиваются концентрация примесей в приземном слое атмосферы. Такой эффект может быть особенно существенным при не очень нагретых выбросах.
В ситуациях застоя воздуха наибольшее скопление примесей в приземном слое атмосферы отличается при относительно повышенных температурах. Если при данных условиях наблюдается очень низкая температура, то концентрация примесей в городском воздухе обычно не бывает экстремально высокими.
Можно сказать, что влияние температуры воздуха на концентрации примесей в некоторой степени определяет и годовой ход загрязнения воздуха. Летом в сравнении с зимой сильно уменьшается перегрев выбросов относительно окружающего воздуха. Возможно, данное обстоятельство является одной из причин того, что, не смотря на снижение летом общего количества выбрасываемых примесей во многих городах максимум концентраций в годовом ходе чаще всего отмечается именно в этот период.

Осадки приводят к снижению концентраций примесей в атмосферном воздухе. Но эффект вымывания наблюдается только за зоной прямого влияния источника. Под факелом выбросов уровень концентрации восстанавливается почти сразу после окончания осадков.
Примеси выделяются из атмосферы не только осадками, но и облаками за счет поглощения каплями и кристаллами. Однако, летом в облачную погоду ослаблен турбулентный обмен, в результате чего может отличаться рост загрязнения воздуха, обусловленное низкими выбросами.
В туманах так же, как и в облаках происходит поглощение примесей каплями. Но эти примеси вместе с каплями остаются в приземном слое воздуха и проявляют свое вредное влияние на здоровье людей, растений и т.д.

ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ АММИАК В ГОРОДЕ ДОНЕЦКЕ

Для метеорологических элементов характерны два основных цикла изменении - суточный и годовой, в то время как выбросы имеют три цикла - суточный, годовой и недельный.
Особенности годового хода газообразных веществ очень сложны. Это вызвано главным образом тем, что метеорологические условия разным образом влияют на распространение примесей от высоких и низких источников выбросов. Расположение промышленных предприятий по территории города, различия в характере и высоте их выбросов играют существенную роль в формировании годового хода содержания примесей в атмосфере.
Несмотря на указанные препятствия , анализ вредных месячных значений М для газообразных примесей позволяет выделить 4 основных типа их сезонных изменений. Величина М рассчитывается по формуле:

формула

qсм – среднемесячная концентрация примеси, мг/м3 ; qсг – среднегодовая концентрация примеси, мг/м3 ;

Расчитать показатель М для своего города вы можете ниже:

Введите Qсм:
Введите Qсг:
Результат обработки:

Выделяют следующие типы:

повышенное содержание примесей наблюдается весной и осенью; зимой и летом содержание примесей снижено; повышенное содержание примесей наблюдается зимой и летом; весной и зимой содержание примесей - понижено; годовой ход с максимальным содержанием примесей летом и минимальный – зимой; годовой ход с максимальным содержанием примесей зимой и минимальный – летом;

По данным Госкомгидромета г. Донецка за 2002 г. был построен годовой ход аммиака в атмосферном воздухе города, который представлен на рисунке 2.

формула

Рисунок 2 – Годовой ход аммиака.

Как видно из рисунка в годовом ходе аммиака наблюдается два максимума - зимой и летом.
Следует отметить, что четкие черты сезонных изменений концентраций примесей наблюдаются только по результатам многолетних наблюдений, когда случайные изменения, обусловленные условиями рассеивания или нарушением регулярности выбросов в отдельные годы, могут быть усреднены.

СИСТЕМА МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРЫ

Для начала определяется количество постов наблюдения за состоянием атмосферного воздуха необходимых для города. Чем больше постов будет установлено, тем полнее и достоверней будет полученная информация. Но с увеличением количества постов возникает проблема – рост объема информации, которую необходимо хранить и обрабатывать. Поэтому при выборе количества постов руководствуются размерами города, количеством населения и структурой промышленности. На данный момент в г.Донецке функционирует шесть постов ОГНСКА.

После размещения постов определяется перечень загрязняющих веществ, которые будут контролироваться на них. Такие вещества как пыль, оксиды азота, диоксид серы определяются всегда. Специфические вещества для контроля определяются исходя из структуры промышленности. Например, аммиак относится к одним из специфических загрязнителей атмосферного воздуха г. Донецка.
Определить необходимость того или иного вещества можно с помощью расчетных и графических методов. Для графического метода необходимо знать суммарный выброс вещества всеми предприятиями города за год и радиус города.

Кроме стационарных постов, существуют также передвижные. Наблюдение за состоянием атмосферы в городах ведется также на постах санэпидемстанций, которые подчиняются министерству здравоохранения, а также в лабораториях предприятий.

Нами была собрана информация о параметрах источников всех предприятий города, которые выбрасывают в атмосферный воздух аммиак. В данный перечень входит тринадцать предприятий. Самыми крупными источниками аммиака являются три отделения Донецкого коксохимического завода.
Планируется провести расчет в программе ЕОL+ с целью получения полей рассеивания аммиака в городе от всех его источников. Полученные поля необходимо будет наложить на карту города, на которую предварительно будут нанесены точки размещения постов и сами предприятия.
Пользуясь такой картой, а также расчетными таблицами программы ЕОL+ можно будет определить зоны влияния предприятий и вклад каждого из них в загрязнение атмосферного воздуха аммиаком в районе каждого стационарного поста. С помощью карты можно будет выдать рекомендации по поводу расположения постов.

Система мониторинга включает в себя не только сбор и обработку информации, но и прогнозирование. Ранее нами был опробован метод множественной регрессии и получены прогнозные уравнения для аммиака по двум постам (№7, №14). Однако результаты прогноза были малодостоверны. Для улучшения достоверности в будущем планируется увеличить численный ряд. Кроме этого мы планируем использовать для прогноза метод временных рядов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Система мониторинга атмосферы в г. Донецке существует в середине 60-х годов, однако она требует определенных доработок и изменений.
Тема мониторинга атмосферного воздуха достаточно освещена, существует много новых предложений по организации контроля. С учетом особенностей города необходимо обновить уже существующую систему.
Результатом нашей работы будет разработка системы мониторинга аммиака в атмосферном воздухе г. Донецка, определение зоны влияния каждого предприятия, выбрасывающего аммиак, его доли в загрязнении воздуха в районе стационарного поста, а также выведение прогнозных уравнений. Хотелось бы отметить, что ранее уравнение прогноза загрязнения атмосферного воздуха аммиаком для Донецка не составлялись.

Литература:
  1. Хорват Л."Кислотный дождь",М.: 1990, 81 с.
  2. Э.Ю. Безуглая, Г.П. Расторгуева, И.В. Смирнова "Чем дышит промышленный город." Изд. Гидрометеоиздат, Ленинград 1991 г., стр. 253.
  3. Сонькин Л. Р.,Берлянд М. Е.НЕКОТОРЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗА СОДЕРЖАНИЯ ПРИМЕСЕЙ В ГОРОДСКОМ ВОЗДУХЕ. – Тр. ГГО, 1968, вып. 234, с. 69 – 79.
  4. Сонькин Л.Р.,Берлянд М.Е."Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы". – Л.: Гидрометиооздат, 1988. – 248 с.
  5. Вопросы атмосферной диффузии и загрязнения воздуха. Под ред.М.Е.Берлянда – Л.: Гидрометеоиздат,1966. 32 – 64с.

Вверх Главная страница