Актуальность темы: с момента распада СССР в городе Донецке во многом изменилась инфраструктура промышленности: ряд предприятий снизил выпуск продукции, либо вообще прекратил свою деятельность (ОАО «Донецккокс», ОАО «Донецкгормаш», Донецкий завод химреактивов и т.д.), появились новые отрасли производства (СП «Каргил», ООО «Меролла-Пелле», ООО «Макмай» и др.). Год от года возрастает парк автомобилей на дорогах города. Изменяются и климатические условия в Донецке: увеличивается температура воздуха (особенно в зимний период), меняется преимущественное направление ветра, наблюдаются колебания в количестве осадков. Все это приводит к необходимости анализа существующей системы мониторинга атмосферного воздуха города. В воздушный бассейн поступает более 70 загрязняющих веществ, среди которых диоксид азота занимает ведущее место с постоянным превышением ПДК в 2-3 раза. Таким образом, определение наибольших вкладчиков в загрязнение атмосферного воздуха диоксидом азота и разработка для них природоохранных мероприятий является основным этапом в мониторинге источников выбросов данного загрязняющего вещества.

Цель: провести анализ существующей системы мониторинга атмосферного воздуха города Донецка диоксидом азота. Установить закономерности загрязнения атмосферного воздуха города Донецка диоксидом азота для разработки зависимостей, позволяющих спрогнозировать уровни загрязнения атмосферного воздуха, и на этой основе предложить мероприятия по улучшению экологической ситуации в городе.

Объект исследования: атмосферный воздух города Донецка.

Предмет исследования:закономерности загрязнения атмосферного воздуха.

Задачи, решаемые в магистерской работе:

1. Сбор и анализ данных по источникам выбросов диоксида азота
2. Расчет рассеивания выбросов диоксида азота в атмосферном воздухе при неблагоприятных метеорологических условиях
3. Установление закономерностей загрязнения атмосферного воздуха города Донецка диоксидом азота
4. Определение предприятий, вносящих наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха города диоксидом азота
5. Разработка рекомендаций по улучшению качества атмосферного воздуха в городе Донецке

Методы исследований: сбор, систематизация и статистический анализ данных о загрязнении воздушного бассейна города Донецка диоксидом азота; корреляционный и регрессионный анализы; методы математического моделирования; вариантные расчеты рассеивания выбросов диоксида азота в атмосферном воздухе.

Новизна работы:

• построение карты загрязнения атмосферного воздуха города Донецка диоксидом азота, с помощью которой возможно определение наиболее загрязненных участков города и предложение рекомендаций по улучшению состояния воздушного бассейна на данных территориях;
• разработка математических моделей для прогнозирования будущих уровней загрязнения атмосферного воздуха диоксидом азота.

Нынешнюю экологическую ситуацию в городе Донецке можно охарактеризовать как угрожающую, сформировавшуюся в течение длительного периода. В экономике города свойственен высокий удельный вес ресурсоемких и энергоемких технологий, внедрение и наращивание которых осуществлялось без строительства соответствующих очистных сооружений. Это привело к значительной деградации окружающей среды г. Донецка, чрезмерному загрязнению поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха и земель, накоплению в очень больших количествах вредных, в том числе токсичных отходов производства. Такие процессы продолжались десятилетиями и привели к ухудшению здоровья людей, уменьшению рождаемости и увеличению смертности.Одной из острейших проблем города является загрязнение воздушного бассейна. Состояние атмосферного воздуха города Донецка определяет социально-промышленный комплекс, сложившийся на территории города и характеризующийся определенными выбросами загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферу, а также метеорологические условия, существенно влияющие на перенос и рассеивание ЗВ. В воздушный бассейн города выбрасываются ЗВ широкого спектра, среди которых диоксид азота, который занимает ведущее место. Большие объемы данного ЗВ в атмосферный воздух Донецка и области в целом поступают практически со всех предприятий. Поэтому на сегодняшний день довольно остро стоит вопрос снижения количества оксидов азота в выбросах стационарных и передвижных источников.

Диоксид азота в течение нескольких лет входит в список наиболее опасных ЗВ, так как его концентрация в атмосферном воздухе города превышает ПДК в 2 – 2,5 раза. Данные по среднегодовым концентрациям диоксида азота в атмосферном воздухе приведены на рисунке 1.

По данным гидрометеорологического центра города Донецка на сегодняшний день превышение концентраций по диоксиду азота в атмосферном воздухе составляет несколько единиц ПДК.

На основании данной таблицы можно утверждать, что в настоящее время наблюдается тенденция увеличения средних и максимальных концентраций диоксида азота, что свидетельствует о необходимости принятия радикальных мер для улучшения сложившейся экологической ситуации в городе.

Используя данные по контролю диоксида азота на стационарных постах города Донецка, был построен годовой ход концентраций диоксида азота в период с 2002 по 2005 гг.

Анализ рисунка 2 показывает, что концентрация диоксида азота не превышала ПДК только в течение 2002 года. Максимальная концентрация диоксида азота наблюдалась в мае 2003 г. (4,6 ПДК) и июне 2004 г. (3,6 ПДК), когда средняя температура воздуха достигала 20 ^оС, осадки были минимальными, а скорость ветра не превышала 3 – 4,5 м/с. При таких условиях рассеивание диоксида азота заметно ухудшается, и концентрация возрастает. Минимальные концентрации диоксида азота отмечались в январе месяце при низких температурах, малой солнечной активности и незначительной скорости ветра.

Уровень антропогенного загрязнения воздушного бассейна города Донецка диоксидом азота очень высок и является недопустимым и опасным для здоровья человека. Так, диоксид азота сильно раздражает слизистые оболочки дыхательных путей. Диоксид азота вызывает сенсорные, функциональные и патологические эффекты. К сенсорным эффектам можно отнести обонятельные и зрительные реакции организма. Функциональным эффектом, вызываемым диоксидом азота, является повышенное сопротивление дыхательных путей. Иными словами, диоксид азота вызывает увеличение усилий, затрачиваемых на дыхание. Патологические эффекты проявляются в том, что диоксид азота делает человека более восприимчивым к патогенам, вызывающим болезни дыхательных путей. У людей, подвергшихся воздействию высоких концентраций диоксида азота, чаще наблюдаются катар верхних дыхательных путей, бронхиты, круп и воспаление легких. Таким образом, роль данного загрязняющего вещества в формировании патологии населения высоко значима.

Загрязнение атмосферного воздуха диоксидом азота содержит в себе угрозу не только для здоровья людей, но и наносит экологический вред всей природной среде. Отрицательное биологическое воздействие диоксида азота на растения проявляется в обесцвечивании листьев, увядании цветков, прекращении плодоношения и роста. Такое действие объясняется образованием кислот при растворении оксидов азота в межклеточной и внутриклеточной жидкостях. Следует отметить, что растения более устойчивы (по сравнению с человеком) к воздействию диоксида азота, поэтому отсюда и различия в предельно допустимых концентрациях (ПДК для человека составляет 0,04 мг/м ³, ПДК для растений – 0,35 мг/м³). Это объясняется особенностями усвоения диоксида азота, который восстанавливается в хлоропластах и в качестве NH₂- группы входит в аминокислоты. При концентрации 0,17 – 0,18 мг/м³ оксиды азота используются растениями в качестве удобрений. Эта способность к метаболизированию оксидов азота человеку не присуща.

Для того чтобы принимать меры по обеспечению чистоты атмосферы, недостаточно только оценивать состояние загрязнения. Необходимо выяснить причины формирования данного уровня загрязнения в городе.

Естественными источниками оксидов азота в атмосфере являются лесные пожары, грозовые разряды, при которых образуется монооксид NO, окисляющийся затем в NO₂. Природные источники дают до 770 млн. т NO_x в год (в пересчете на NO₂). Антропогенную нагрузку на воздушный бассейн определяют:

• стационарные источники (выбросы предприятий, коммунального хозяйства и малоэтажного жилфонда)
• передвижные источники (выбросы автотранспорта).

Основными стационарными источниками оксидов азота являются процессы высокотемпературного сгорания различных видов топлива (природного газа, угля, бензина, мазута) на тепловых электростанциях, промышленных установках. Примерно 90% всех выбросов оксидов азота в атмосферу связаны со сжиганием топлива, в процессе которого протекают реакции двух типов:

1. реакция между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в топливе;
2. реакция между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в воздухе.

Антропогенные источники выделяют до 60 млн. т оксидов азота в год (в пересчете на NO₂), что составляет менее 8% от выбросов природных источников.

Анализ деятельности предприятий города Донецка, показал, что в год от стационарных источников выбросов в атмосферный воздух поступает примерно 7 тыс. т диоксида азота. Источники выбросов в атмосферу – это котельные предприятия, а также металлургические, горнодобывающие, химические и коксохимические производства. В городе Донецке наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха диоксидом азота вносят такие предприятия как АП «Донецкгортеплосеть», ОАО «Донецккокс», АП «Шахта им. А.Ф.Засядько», ЗАО «Донецксталь – МЗ», ЗАО ММЗ «Истил», ОАО «ДМЗ». Кроме того, значительное влияние на концентрацию диоксида азота в городской черте оказывают некоторые предприятия области (Старобешевская ТЭС, Кураховская ТЭС, Авдеевский КХЗ, Макеевский КХЗ).

Одним из главных антропогенных источников оксидов азота остается автомобильный транспорт, на его долю в среднем приходится 40 – 50% выбросов. В последние десятилетия в связи с быстрым развитием автомобильного транспорта существенно обострились проблемы воздействия его на окружающую среду. Если в начале 70-х годов доля загрязнений, вносимых автомобильным транспортом в атмосферный воздух, составляла 10 - 13% , то в настоящее время эта величина достигла 50 - 60% и продолжает расти. Главной причиной неблагоприятного воздействия автотранспорта на окружающую природную среду остаётся низкий технический уровень эксплуатируемого подвижного состава и отсутствие системы нейтрализации отработавших газов. В атмосферу от автомобилей поступает 200 компонентов вредных веществ в составе отработанных картерных газов и топливных испарений. При использовании этилированного бензина в атмосферу выбрасываются соединения свинца, а при работе дизельного двигателя выделяется значительное количество сажи. Из общего количества оксидов азота в отработанных газах бензиновых двигателей содержится 98 – 99% NO и только 1 – 2% NO₂, а дизельных двигателей – соответственно 90 и 10%. На каждом километре пути легковой автомобиль выделяет около 10 г оксида азота.

Данные областного статуправления показывают, что выбросы диоксида азота стационарными источниками ежегодно сокращаются, а автомобильным транспортом – постоянно растут. На рисунках 3 и 4 показано количество оксидов азота (в пересчете на NO₂), выброшенное в атмосферный воздух стационарными и передвижными источниками города Донецка за последние 7 лет.

На основе данных выбросов стационарными (V_стац) и передвижными (V_авто) источниками, а также среднегодовых концентраций диоксида азота (С_NO2) в период с 2002 по 2005 год был проведен регрессионный анализ, в результате которого было получено следующее уравнение:

с коэффициентом множественной корреляции R² равным 91,02 %. По полученному уравнению можно спрогнозировать концентрации диоксида азота на будущий период времени, что является необходимым этапом в мониторинге, контроле и регулировании вредных выбросов в городе Донецке.

Для оценки влияния предприятий города Донецка и Донецкой области на степень загрязнения атмосферного воздуха диоксидом азота были взяты данные инвентаризации источников выбросов по 10 предприятиям (Старобешевская ТЭС, Кураховская ТЭС, ЗАО ММЗ «Истил», ЗАО «Донецксталь-МЗ», АП «Донецкгортеплосеть», Макеевский КХЗ, АП «Шахта им. А.Ф.Засядько», Авдеевский КХЗ, ОАО «ДМЗ», ОАО «Донецккокс»). С помощью программы ЭОЛ+ был проведен расчет рассеивания диоксида азота от мощных стационарных источников выбросов. Для расчета рассеивания выбросов диоксида азота от предприятий учитывались источники выбросов мощностью не менее 0,1 т/год. Размер расчетной площадки и шаг сетки определялся для каждого предприятия индивидуально.

Учитывались также метеорологические характеристики и коэффициенты, определяющие условия рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.

Расчет показал, что почти все предприятия имеют нарушение нормативов качества атмосферного воздуха на границе санитарно-защитной зоны. По результатам расчетов определенны зоны влияния предприятий (т.е. расстояние от предприятия на котором концентрация вещества составляет не более 0,05 ПДК) и получены следующие результаты, представленные в таблице 5.

Таким образом, анализируя данные таблицы 5 можно утверждать, что тепловые электростанции Донецкой области (Старобешевская и Кураховская ТЭС) имеющие максимальные зоны влияния, несмотря на 30-километровую отдаленность от города, вносят существенный вклад в загрязнение атмосферного воздуха диоксидом азота. В качестве примера ниже приведены карты-схемы рассеивания диоксида азота от данных теплоэлектростанций, полученные по программе ЭОЛ+ с расчетом зон влияния предприятий.

Зона влияния данного предприятия составляет 104000 м.

Зона влияния данного предприятия составляет 50000 м.

На рисунке 9 представлена карта города и его окрестностей с нанесенными на нее расчетными зонами влияния рассмотренных выше предприятий. Отмечено, что зоны влияния этих предприятий перекрываются, что приводит к увеличению концентраций диоксида азота, особенно в дни с неблагоприятными метеорологическими условиями. В эту зону попадает преимущественно северная часть города.

На данную карту нанесены зоны влияния 7 предприятий из рассмотренных 10. Зона влияния Старобешевской ТЭС не отображена, так как она перекрывает всю отраженную на карте площадь города и части его окрестностей. Зона влияния ОАО «Донецккокс» составляет 0,4 км и является несущественной. Зона влияния АП «Донецкгортеплосеть» составляет 15 км, но в связи с тем, что котельные предприятия расположены по территории всего города, то и зона его влияния распространяется на весь город.

Расчет рассеивания выбросов диоксида азота от источников выбросов рассмотренных выше предприятий проводился согласно методике ОНД-86 по программе ЭОЛ+ с учетом следующих параметров: размер расчетной площадки 68*40 км, шаг сетки 1 км, с перебором скоростей ветра 0,5; 1; 1,5; 5; 6; 12; 18 м/с с шагом изменения направления ветра 10 ^o.

Результаты расчета показали, что максимальная концентрация диоксида азота, которая может наблюдаться в дни с неблагоприятными метеорологическими условиями составляет 23 ПДК. Эта точка находиться в Кировском районе, вблизи станции Рутченково. Вклад в загрязнение воздуха диоксидом азота в данной точке вносят Кураховская ТЭС (96 %) и ЗАО ММЗ «Истил» (3 %). На карту также нанесен ряд точек наибольших концентраций диоксида азота, которые сосредоточены в северной части Кировского района (концентрация составляет 7-8 ПДК).

На сегодняшний день одним из приоритетных направлений в области улучшения состояния воздушной среды является ликвидация морально устаревших производств на ОАО "Донецккокс". В связи с этим был проведен расчет рассеивания выбросов диоксида азота без учета выбросов данного предприятия, который показал, что закрытие ОАР "Донецккокс" существенно не повлияет на формирование фоновой концентрации диоксида азота по городу.

Данные расчета могут быть использованы при оптимизации размещения стационарных постов, на которых производится отбор проб воздуха.

Вопрос регулирования выбросов и прогноза загрязнения атмосферы тесно связанны между собой. Очевидно, что прогностические разработки необходимы, прежде всего, для тех случаев, когда возможно регулирования загрязнения атмосферного воздуха. Определение метеорологических условий загрязнения воздух служит основой для его прогнозирования. Поскольку задача состоит в том, чтобы прогнозировать и предотвращать высокие уровни концентраций, которые создаются во время неблагоприятных метеорологических ситуациях. Разработка методов прогноза начинается в первую очередь с выявления периодов со значительным загрязнением атмосферы. Далее устанавливаются корреляционные зависимости между уровнем загрязнения воздуха с некоторыми метеорологическими показателями (предикторами). В данное время можно рекомендовать какой-либо один метод для прогнозирования загрязнения воздуха с удовлетворительной вероятностью. Ниже будут рассмотренные некоторые методы, которые использовались для прогнозирования уровня загрязнения атмосферы города Донецка диоксидом азота.

Используя данные стационарного поста № 9, по методу множественной линейной регрессии была определенная зависимость концентрации диоксида азота от таких метеорологических параметров, как абсолютная влажность (a), температура воздуха (t) и скорость ветра (v) с использованием пакета программ статистической обработки STATGRAFІCS. Получили следующее регрессионное уравнение:

с коэффициентом корреляции R², который равняется 7,07 %. Этот показатель можно повысить, взяв вместо фактических значений нормированные. Поэтому в дальнейшем планируется провести регрессионный анализ, который бы улучшил коэффициент корреляции и сделал прогноз точнее. Следует отметить, что на низкий коэффициент корреляции влияет также и тот факт, что метеопараметры замеряются лишь на одном посту, который находится на значительном расстоянии от центра города. То есть для получения более адекватной модели нужно оснастить стационарные посты автоматическими газоанализаторами и устройствами для определения метеопараметров на каждом из постов.

Анализ среднемесячных концентраций диоксида азота в воздухе по теории временных рядов, показал, что математическая модель зависимости среднемесячных концентраций от времени представляет собой аддитивную модель с периодом сезонности 30 месяцев и трендом, который описывается простым экспоненциальным сглаживанием с а = 0,4929.

На данном этапе магистерская работа находится на стадии корректировки.

В дальнейшем в работе планируется провести сводный расчет рассеивания выбросов диоксида азота при заданных направлениях ветра с целью уточнения вклада рассмотренных выше предприятий в загрязнение атмосферного воздуха города данным загрязняющим веществом. Также необходимо откорректировать математические модели для прогнозирования будущих уровней загрязнения атмосферного воздуха диоксидом азота и на этой основе предложить мероприятия по улучшению экологической ситуации в городе.

Перечень использованной литературы:

1. Доклад о состоянии окружающей природной среды города Донецка в 2004 – 2005 годах – Донецк, 2006. Под общей редакцией Донецкого городского головы А.А. Лукьянченко
2. Э.Ю. Безуглая. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. – Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 199с.
3. Отчет Центральной донецкой региональной инспекции о состоянии окружающей природной среды. – Д.: 2000. – 178с., ил.
4. Національна доповідь про стан навколишнього природного середовища в Україні. – Київ, 2004. – 184 с.
5. В.И. Агарков, С.В. Грищенко, В.Я. Уманский, В.И. Денисенко, М.Н. Гамов. Гигиена экологической среды Донбасса. – Донецк: 2004. – 172с.
6. Л.Ф. Голдовская. Химия окружающей среды: Учебник для вузов. – М.: Мир, 2005. – 296с., ил.
7. Предельно допустимые концентрации (ПДК) и ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест, ОАО «УкрНТЭК», Донецк, 2002. – 131с.