ПРИМЕНЕНИЕ КАРТОГРАФИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА
ВЫПАДЕНИЯ ПРОМЫШЛЕНННЫХ АЭРОЗОЛЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ СНЕГА В БАССЕЙНАХ РЕК
А.А.Быков, Е.Л.Счастливцев, С.Г.Пушкин
Институт вычислительных технологий СО РАН (Кемеровский филиал), г.Кемерово
E-mail: AABykovAA@yandex.ru
ВВЕДЕНИЕ
Согласно санитарной классификации предприятия по добыче угля открытым способом (разрезы) относятся к 1-му классу опасности, для которых проводится расчетная оценка рисков для здоровья населения [1]. При расчете острых рисков [2] необходимо вычисление максимальных разовых концентраций загрязняющих веществ (ЗВ) с использованием модели ОНД-86 [3], разработанной в Федеральном государственном бюджетном учреждении “Главная геофизическая обсерватория им.А.И.Воейкова” (ФГБУ ГГО). Хронические и канцерогенные риски при вдыхании вычисляются исходя из среднегодовых концентраций ЗВ, для расчета которых в ФГБУ ГГО разработана нормативная модель [4]. Рассмотренные модели относятся только к концентрациям ЗВ в атмосфере и не рассматривают вопросы выпадения ЗВ на поверхность (почва, вода, растительность). Сложившаяся в настоящее время практика расчета рисков для здоровья населения ограничивается воздействием на человека только атмосферного загрязнения. Однако [2] предполагает учет всех путей поступления ЗВ в организм человека.
Таким образом, изучение процессов вторичного поступления ЗВ из атмосферы в почву, воду и продукты питания требует разработки соответствующих расчетных моделей и систем обеспечения этих моделей исходными данными.
МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ВЫПАДЕНИЯ ТЕХНОГЕННОЙ ПЫЛИ
Авторами разработана и доведена до практического использования локальная долгосрочная модель расчета выпадения пылевых частиц на подстилающую поверхность. Модель реализована в составе широко используемого в Сибирском регионе для нормативных расчетов программного комплекса “ЭРА” (www.logos-plus.ru). Это позволяет использовать накопленные в форматах данного комплекса исходные данные об источниках для дополнительных научных исследований.
Построение модели, основные соотношения и первые результаты сравнения с данными экспериментов представлены в [5]. В работе авторов [6] проведен обзор литературных источников по дисперсному составу пылевых выбросов, сопровождающих основные процессы угледобычи. В [7] начаты работы по исследованию влияния составляющих модели на результаты вычислений. В результате обработки рядов стандартных наблюдений с метеостанций Кузбасса (взяты с сайта www.rp5.ru) проведена оценка [8] влияния годовой изменчивости метеопараметров на результаты расчетов выпадения пылевых частиц от типичного карьерного отвала. Там же показано, что из всех входных данных наибольшее влияние (в 2-3 раза и более) на результаты моделирования оказывают погрешности в задании дисперсного состава суммарного выброса.
В настоящей работе приводятся результаты применения модели для оценки интегрального выпадения пылевых частиц, соединений азота и серы в снеговой покров для бассейнов малых района расположения разреза Бунгурский Южный, где ведется интенсивная разработка угольных месторождений открытым способом.
ИСТОЧНИКИ ВНЕШНЕГО ФОНОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Источниками фонового загрязнения являются близлежащие города: Новокузнецк, Прокопьевск, Осинники, Калтан. Минимальное расстояние до них составляет 12 - 40 км, поэтому влияние на загрязнение атмосферы района выбросов предприятий и автотранспорта этих городов достаточно ощутимо. Оценочные расчеты распространения и выпадения ЗВ, выполненные с использованием названной модели и частично агрегированных данных по источникам выбросов показывают, что выпадение пылевых частиц от городов в снеговой покров рассматриваемого района составляет от 0,5 до 1.0 г/м2.
В фоновых областях, вдали от источников, их вклады экспериментально выделить очень непросто. Поэтому такая модельная информация полезна на предварительных стадиях планирования экспериментальных работ. К сожалению, информацию о пылевой составляющей загрязнения снегового покрова, до настоящего времени, получают только эпизодически, в результате проведения специальных геохимических исследований, ссылки на которые приведены в таблице 1. Из таблицы видно, что фоновое пылевое загрязнения снега находится на уровне 4—8 мг/м2 в сутки. Период с устойчивым снежным покровом для исследуемой территории имеет среднюю продолжительность 174 – 190 дней (примерно с 4 ноября по 31 марта). Таким образом, ориентировочный коэффициент пересчета из мг/м2 в сутки в г/м2 за зиму составляет 0.18. И фоновые значения снегового загрязнения по результатам таблицы 1 изменяются от 0.72 до 2.36 г/м2 при полученных авторами расчетных оценках от 0.5 до 1.0 г/м2 за зимний период. Следует заметить, что в данных замеров всегда присутствуют пылевые частицы природного происхождения, которые в расчетах не задавались.
Таблица 1. Некоторые результаты экспериментальных
исследований загрязнения снегового покрова
Место проведения
экспериментальных исследований
|
Показатели пылевой снеговой
нагрузки (мг/м2 в сутки)
|
Минимум
|
Фон
|
Максимум
|
Заповедник Кедровая Падь [9]
|
|
13,1
|
|
Пригороды и г.Владивосток [9]
|
34,9
|
|
6080
|
Озеро Аятское и Новоуральск [10]
|
|
7,9
|
29,0
|
Прибайкальские города (Ангарск, Байкальск и др.) [11]
|
|
5,8
|
64,2
|
Иркутск, Шелехов и др. [11]
|
|
|
593,3
|
Кемерово [12]
|
5,5
|
8,3
|
371,0
|
Новокузнецк(бассейн р.Ускат) [12]
|
1,0
|
4,0
|
746,0
|
Новокузнецк (бассейны рек Кандалеп, Бунгур) [12]
|
1,7
|
4,8
|
325,0
|
ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕРРИТОРИИ
Источниками загрязнения, непосредственно расположенными на исследуемой территории, являются разрезы: Бунгурский-Южный (ОАО Сибэнергоуголь), Тагарышский-Коксовый (ООО Стройсервис), Бунгурский - Северный (ООО Сибирский Цемент; 2 участка), ФЛ ООО Разрез Степановский, старые отвалы, автодороги и печное отопление населенных пунктов (рисунок 1).
Авторы располагают электронными базами данных и картами-схемами расположения всех источников для разрезов Бунгурский-Южный и Степановский в форматах ПК ЭРА (предоставлены собственниками только для научных исследований). Поскольку расчеты являются исследовательскими, то отрабатываемые территории остальных разрезов заданы суммарными площадными пылящими источниками, выбросы которых получены с использованием средних удельных показателей [13] по годовой производительности.
С южной стороны, непосредственно к производственной территории разреза Бунгурский-Южный прилегают старые отвалы и территории бывших горных работ. Они занимают площадь 9-10 км2 и имеют значительные поверхности, не покрытые растительностью. Объезд и осмотр показывают, что данные поверхности подвержены выветриванию как в зимний, так и в летний периоды. Старые отвалы представлены в расчете 7-ю площадными источниками с суммарным выбросом около 30 тонны в год (3 грамма в год с квадратного метра), который равномерно распределен по источникам в зависимости от их площади. Влияние данной группы источников (только пылевые частицы) весьма незначительно.
В состав источников предприятия при нормативных расчетах входят только те дороги и движущийся по ним автотранспорт, которые находятся в пределах землеотвода. Однако транспортировка угля к железнодорожным складам продолжает являться источником выделения газообразных ЗВ и пыли. Поэтому для расчета выпадения в бассейны рек в состав источников добавлены дороги общего пользования, по которым осуществляется перевозка угля. Кроме того, любая дорога, тем более без асфальтового покрытия, является источников выделения пыли не только в летнее, но и в зимнее время. Очевидно, что снег на такой дороге весьма загрязнен пылевыми частицами и вместе с ними распространяется по ветру. В итоге дороги заданы в виде 39-и прямолинейных участков различной длины с суммарным выбросов пыли 30 тонн в год. При этом 24 тонны приходится на дороги, по которым осуществляется перевозка угля.
И наконец, достаточно существенным источником выброса угольной золы (особенно в зимний период), являются печные трубы индивидуальной застройки населенных пунктов (таблица 2).
Таблица 2. Оценка выброса в атмосферу пылевых частиц
(зола угольная) от печного отоплении населенных пунктов.
Название населенно
Пункта
|
Кол-во дворов
|
Площадь,
км2
|
Выброс
золы, т
|
Костенково
|
800
|
3,8
|
28
|
Ананьино
|
87
|
0,32
|
3,1
|
Алексеевка
|
125
|
0,4
|
4.3
|
Апанас
|
242
|
0,9
|
7,3
|
Верх-Кинерки
|
78
|
0,35
|
2,9
|
Новый Урал
|
148
|
0,34
|
5,2
|
Листвяги
|
|
2,8
|
17,8
|
Южный
|
|
0,7
|
2,7
|
Каждую трубу в отдельности задавать нецелесообразно, поэтому принято задавать сельские населенные пункты площадными источниками с выбросом, пропорциональным количеству дворов. Выброс рассчитывается как для котельной с ручной загрузкой на неподвижные колосники из условия сжигания порядка 5-7 тонн угля за зиму.
Расположение всех групп источников можно увидеть на рисунке 1, где показаны изолинии расчетного выпадения пылевых частиц без учета фоновых концентраций от городов.
РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ВЫПАДЕНИЯ В БАССЕЙНЫ РЕК
С помощью модельных расчетов получены оценки количества ЗВ, выпадающих на территории водосборных бассейнов рек промышленного района, часть из которых
Рис 1. Изолинии расчетного выпадения (г/м2) пылевых частиц за зимний период
2011-2012 годов от всех групп источников (без фона от городов).
может быть смыта талыми и дождевыми водами непосредственно в водотоки, а другая – накапливаться в почве, растительности и других наземных экосистемах.
Ниже представлены результаты таких расчетов для территории, прилегающей к промплощадке разреза Бунгурский-Южный. Расчеты проведены в сумме для всех рассмотренных групп источников.
Бассейн реки задается на цифровой карте в виде произвольного полигона (рисунок 2, А). Для каждого полигона определяется его покрытие расчетными точками, в которое по границе входят все вершины ломаной. Внутри полигона создается прямоугольная сетка с заданным шагом. Этот же шаг используется и для разбиения границы, если длина между соседними вершинами достаточно велика. При вычислении интеграла по бассейну (полигону) последний покрывается минимальным описывающим прямоугольником (часть показана на рисунке 2, В). Прямоугольник покрывается сеткой с начальными шагами dX и dY. В каждой ячейке суммарное выпадение вычисляется как
Рис. 2. Карта-схема расположения бассейнов рек с расчетной пылевой нагрузкой (А); схема расчета интеграла во внутренней ячейке и вблизи границы бассейна (В).
произведение Pc*S+, где Pc - среднее выпадение по окружающим ячейку расчетным точкам, а S+ - площадь пересечения ячейки с полигоном. Затем шаг покрытия описывающего прямоугольника уменьшается до тех пор, пока результаты интегрирования различаются более заданного предела. Для размеров нашей территории шаг 250 м обеспечивает точности интегрирования на уровне 5%, а шаг 100 м – на уровне 2%.
В таблице 3 приведено суммарное и удельное (на единицу площади) выпадение ЗВ в бассейны рек от всех групп источников выброса. Кроме пылевых частиц, расчеты проведены для диоксидов азота и серы, данные по которым частично взяты из нормативных баз данных, а частично рассчитаны по удельным показателям. Полужирным шрифтом в таблице 3 выделены максимальные значения.
Таблица 3. Расчетная оценка выпадение ЗВ в бассейны рек за зимний период
Номер,
рис.2
(А)
|
Название
реки
|
Площадь бассейна, км2
|
Суммарное выпадение, кг /
Выпадение на единицу площади, г/м2
|
Нитраты
|
Сульфаты
|
Пыль
|
1
|
Кандалеп
|
48,5
|
3180/0,066
|
479/0,099
|
350000/7,22
|
2
|
Таловая
|
125
|
670/0,006
|
63/0,0005
|
17000/0,14
|
3
|
Бунгур
|
85
|
4569/0,054
|
953/0,0112
|
260000/3,06
|
4
|
Учул
|
61,5
|
1634/0,027
|
303/0,0049
|
82000/1,33
|
5
|
Кинерка
|
304,5
|
3629/0,012
|
806/0,0026
|
102000/0,33
|
6
|
Ачигус
|
52
|
718/0/014
|
206/0,0040
|
22000/1,36
|
7
|
Углеп
|
14,8
|
4190/028
|
156/0,0105
|
20100/4,25
|
8
|
Безым. ручей
|
3,74
|
264/0,071
|
47/0.0126
|
15900/5,12
|
9
|
Кишта
|
3,71
|
211/0,057
|
65/0,0175
|
19000/0,57
|
10
|
Березовка
|
53,1
|
10760,021
|
122/0,0043
|
30340/1,23
|
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ранее разработанную модель расчета выпадения атмосферных аэрозолей на подстилающую поверхность добавлен модуль расчета интеграла скалярной величины, заданной на произвольном множестве точек полигона. С помощью данного модуля проведен расчет выпадения пылевых частиц, соединений азота и серы в бассейны малых рек угледобывающего района Южного Кузбасса.
На основе расчетных оценок бассейны рек ранжированы по удельному выпадению (г/м2), которые меняется в пределах 0.2 - 7.3 для пылевых частиц, 0.015 – 0.066 для нитратов и 0.01-0.018 для сульфатов. В нашей стране нет законодательно установленных (как ПДК в атмосфере) нормативов допустимого осаждения примесей на почву и экосистемы. Однако в рекомендациях по отнесению территорий к зонам экологического бедствия [14] можно найти критические уровни выпадения пыли и основных закисляющих примесей для экосистем северных и центральных районов России. Они составляют 100, 0.32 и 0.28 г/м2 в год для пыли, соединений серы и азота соответственно. И хотя непосредственно в промышленных зонах разрезов расчетные величины осаждения пыли (115 г/м2) и нитратов (0.26 г/м2) сравнимы к указанными критериями, но территории бассейнов рек в среднем еще достаточно далеки до степени загрязнения, когда их можно рассматривать как зоны чрезвычайной экологической ситуации.
Список литературы
-
СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 с изменением №1 СанПиН 2.2.1./2.2.1-2362-08 от 10 апреля 2008г., N 25. “Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов”. М., 2008.
-
Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду 2.1.10.1920-04. Москва, 1994.-163с.
-
ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.-92с.
-
Методика расчета осредненных за длительный период концентраций выбрасываемых в атмосферу вредных веществ (дополнение к ОНД-86). – С-Пб.: ГГО им. А.И.Воейкова, 2005.
-
Быков А.А., Счастливцев Е.Л., Пушкин С.Г., Климович М.Ю. Разработка и апробация локальной модели выпадения загрязняющих веществ промышленного происхождения из атмосферы на подстилающую поверхность. - Химия в интересах устойчивого развития. - Том 10, No 5, 2002.- С. 563-573.
-
Быков А.А., Счастливцев Е.Л., Пушкин С.Г., Смирнова О.В. Моделирование загрязнения почвы атмосферными выбросами от промышленных объектов угледобывающего региона. – Ползуновский вестник. №2, 2006. – с.209-217.
-
Быков А.А., Счастливцев Е.Л., Пушкин С.Г. Особенности построения и практического применения локальной модели загрязнений почвы техногенными выбросами пылевых частиц / Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций, 2007. - № 4. - С. 74-82.
-
Быков А.А., Счастливцев Е.Л., Пушкин С.Г. Влияние изменчивости метеорологических параметров и дисперсного состава атмосферных выбросов на модельные оценки осаждения промышленной пыли. Вестник Кемеровского государственного университета №4 (52) Т.2. – Кемерово, 2012.-с.10-16.
-
Кондратьев И. И., Качур А.Н., Юрченко С.Г., и др. Синоптические и геохимические аспекты аномального выноса пыли на юге Приморского края Вестник ДВО РАН. 2005. № 3.
-
Sergeev A. P., Baglaeva E. M., Shichkin A. V. Case of soil surface chromium anomaly of a northern urban territory – preliminary results // Atmospheric Pollution Reseach. 2010. Vol. 1. р. 44–49.
-
Закономерности распределения и миграции химических элементов в геохимических циклах окружающей среды Байкальского региона. (научный руководитель проекта д.г.-м.н. В.И.Гребенщикова) http://www.igc.irk.ru/Reports/reports-2009.html.
-
Фондовые материалы ИВТ СО РАН/«Оценка влияния ООО «Сибэнергоуголь» на геоэкологическое состояние в районе ведения открытых горных работ и прилегающих территориях»./Кемерово, 2012. 282с.
-
Справочник по удельным показателям выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для некоторых производств – основных источников загрязнения атмосферы. Издание 5-е, исправленное. С-Пб,: ФГУП “НИИ АТМОСФЕРА”, 2002.-127с.
-
Критерии оценки экологической обстановки территории для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. Методика, Министерство природных ресурсов РФ, 1992, (НЦПИ).
Достарыңызбен бөлісу: |