В настоящее время одной из наиболее актуальных проблем для оценки состояния и тенденций изменения загрязнения воздуха, почвы и водных объектов антропогенным воздействием является теоретическое и экспериментальное исследование пространственно-временного распределения загрязняющих веществ.
В связи с необходимостью экологического контроля над выбросами загрязняющих веществ в атмосферу актуальной задачей является разработка методики для определения месторасположения вероятного источника загрязнения по соотношению загрязняющих веществ, содержащихся в замерах воздуха, взятых на рассматриваемой территории.
Для определения источников загрязнения используются математические методы, в основе которых лежит решение обратной задачи переноса примеси. Эти методы позволяют по определенному числу точек наблюдений восстановить параметры источников загрязнения и выяснить территориальное расположение аэрозольного загрязнения.
Целью исследования является определение количественных характеристик загрязнения территории города предприятием циркониевого цикла, пространственного распределения загрязняющих веществ и отработка методики выявления источников загрязнения по результатам наблюдений состояния окружающей среды.
Вольногорский горно-металлургический комбинат (ВГМК) разрабатывает Малышевское месторождение ильменит-рутил-цирконовых песков. Добыча и обогащение руды до циркониевого концентрата служит первой ступенью получения циркония для потребностей ядерной энергетики Украины. Комбинат является градообразующим предприятием города и представляет собой основной источник влияния на его природную и социальную среду. Исходя из результатов, представленных в работах [1,4] выбросы предприятия в атмосферу выделены как основной негативный экологический фактор производства.
При исследовании атмосферных процессов, учитывающих перенос и диффузию примесей в атмосфере, в большинстве существующих в настоящее время методов используется численное моделирование. К ним относится и метод факторного анализа - PMF (Positive matrix factorization) [5-7], который применен для выявления основных источников загрязнения для г. Вольногорска.
Исходными данными для проведения вычислений с помощью этой методологии являются концентрации веществ или элементов, содержащихся в исследуемых образцах. Основное уравнение может быть представлено следующим образом:
где xij – измеренная концентрация j-того соединения в i-том образце, fpj – концентрация j-того соединения в веществе, испускаемом p-ым источником, gip – вклад p-того источника в i-ый образец, eij – погрешность при вычислении, не содержащая значимой информации.
Предложенный подход позволяет определить как характеристики источников загрязнения, так и вклад отдельных источников в конкретные образцы. Однако остается открытым вопрос о месте расположения самих источников загрязнений. Некоторые возможности решения этой задачи, упомянуты в [8]. Они основаны на анализе траекторий воздушных масс, переносящих загрязнения. В данной работе для изучения пространственного распространения загрязняющих веществ использовалась программа HYSPLIT-4 [9].
Для определения экологической ситуации в г. Вольногорск и оценки ее с помощью разных подходов использованы результаты замеров воздуха, взятые в 36-ти точках города на протяжении 2004-2007г., по 5-ти основным загрязняющим веществам (Cl2 ,HCl, NO2, SO2 и CCl2O). Далее было произведено формирование массивов данных на основе вычисленных концентраций, определение погрешности измерений и недостающих данных. Обработка данных осуществлялась с помощью программы PMF v3.0.2.2. Выявлены основные загрязняющие вещества, наблюдаемые в зоне исследований: Cl2 (среднесуточное ПДК - 0,03 мг/м3, 3 класс опасности), HCl (среднесуточное ПДК - 0,2, 2 класс опасности), NO2 (среднесуточное ПДК - 0,04, 2 класс опасности). Ранее было показано, что основное негативное влияние на экологическую ситуацию в городе оказывает HCl.
Методом интерполяции осуществлен пространственный анализ распределения основных загрязняющих веществ на территории г. Вольногорска для наглядного представления изменения экологической обстановки в 2004-2007г. В результате были созданы карты распространения основных загрязняющих веществ(Cl2, HCl и NO2) на территории города и ближайших регионов, а обработка полученной информации позволила выявить основные очаги накопления загрязняющих веществ, влияющих на ухудшение экологической обстановки в городе. На рис.1 показано распространение HCl в городе в 2005 году.
Рис.1. Концентрация HCl г. Вольногорск 2005г.
Для того чтобы убедиться, что наблюдаемое высокое содержание исследуемых веществ в приземном воздухе обусловлено антропогенным воздействием, выполнено пространственное моделирование распределения хлора и хлористого водорода в воздушном бассейне г.Вольногорска, в предположении о сосредоточении основного источника эмиссии на ВГМК. Для построения траекторий задавались географические координаты ВГМК. Прямые и обратные траектории движения воздушных масс рассчитывались для 2004-2007г. с продолжительностью 120 ч на высотах 25,100 и 500 м. В результате обработки данных выделены наиболее часто встречающиеся типы траекторий с учетом их направления и длины. Установлено, что в данном районе в основном преобладает восточный и северо-восточный занос воздушных масс летом и осенью, а зимой и весной - юго-восточный и юго-западный. На рис.2 представлена прямая траектория движения воздушных масс в осенний период.
Рис.2 Прямая траектория движения воздушных масс от ВГМК 1 октября 2005г. на высоте 100м.
Для этих же траекторий получены карты распространения загрязняющих веществ.
На рис.3 показана карта рассеивания HCl.
Рис.3 Границы рассеивания HCl 1 октября 2005г на высоте 100м
Для того, чтобы определить пути заноса воздушных масс на территорию города, построены обратные траектории.
На рис.4 представлена обратная траектория движения воздушных масс, определены координаты точки в городе – 48.48 с.ш. и 34.01 в.д., являющейся источником загрязненй и они совпадают с координатами ВГМК.
Рис.4 Обратная траектория движения воздушных масс 1 октября 2005г. на высоте 25м.
Проведен анализ данных по состоянию окружающей среды и получено пространственное распределение загрязняющих веществ в г. Вольногорск в 2004-2007г. Как и предполагалось, подтвержден факт, что горно-металлургический комбинат является основным источником загрязнения в этом регионе.
Показано, что предложенный подход позволяет идентифицировать источник загрязнения по проведенным измерениям концентрации загрязнителей и анализу движения воздушных масс в районе исследования.
1. В.М. Ажажа, И.Л. Ролик, М.Ф. Кожевникова, В.В. Левенец, А.А. Щур. Экологическая характеристика производства циркония, его сплавов и проката для ядерного топливного цикла Украины // Научно - производственный журнал «Экология и промышленность». 2007, № 4, с. 44-50.
2. В.В. Левенец, И.Л. Ролик, К.А. Мец. Оценка риска при воздействии выбросов в атмосферу Вольногорского горно-металлургического комбината // Научно - производственный журнал «Экология и промышленность». 2009, № 3, с. 83-89.
3. В.В. Левенец, И.Л. Ролик. Метод выражения специфических и неспецифических ингаляционных рисков в единых показателях // Вестник НТУ «ХПИ». 2010, №69, с. 78-83.
4. М.Ф.Кожевникова, В.В. Левенец, И.Л. Ролик. Программная реализация метода оценки риска от загрязнения атмосферного воздуха выбросами химического производства // Вестник НТУ «ХПИ». 2009, № 24, с. 164-171.
5. P.K. Hopke. Recent developments in receptor modeling // Journal of Chemometrics , 2003, v.17, p.255-265.
6. P.K. Hopke. Receptor Modeling in Environmental Chemistry. Wiley: New York, 1985.
7. P.K. Hopke. Receptor Modeling for Air Quality Management. Elsevier: Amsterdam, 1991.
8. L. Zhou, P.K. Hopke, W. Liu Comparison of two trajectory based models for locating particle sources for two rural New York sites // Atmospheric Environment, 2004, v. 38, p. 1955–1963.
9. Ronald R. Draxler, G. D. Hess. Description Of The HYSPLIT-4 Modeling System. Silver Spring: Air resources Laboratory, NOAA Technical Memorandum ERL ARL-224, 1997, p.1-22.