Научные основы региональной системы краткосрочного прогноза и предотвращения высоких уровней загрязнения воздуха: На примере Республики Башкортостан

Проблема загрязнения среды обитания человека насчитывает несколько столетий. Известен Указ Карла VI от 1382 г. запрещавший выпускать в Париже «. дым тошнотворный и дурно пахнущий» [24]. Однако до развития промышленности загрязнение среды носило ограниченный характер как по месту и времени распространения, так и по количеству и вредному воздействию загрязняющих веществ на живые организмы. Обстановка резко изменилась в связи с ростом промышленного производства и населения городов (урбанизацией).

Несмотря на колоссальные экологические резервы биосферы и возможности эволюции в новых условиях, некоторые антропогенные воздействия приводят к резко отрицательным последствиям, с которыми биосфера справиться не в состоянии. В первую очередь это относится к загрязнению биосферы химическими веществами, несвойственными природе (так называемыми ксенобиотическими веществами), нарушению природных геохимических циклов [28].

Отношение человека с природой должно быть основано на доверии,. человек не должен брать функции биосферы на себя, он должен облегчить её работу. Объединение усилий человека и природы может способствовать формированию стабильных биогеоценозов в изменённой человеком среде" [28]. При решении этой проблемы всё большая роль отводится метеорологической науке. Поведение попавших в атмосферу выбросов определяется, в основном, метеорологическими факторами. Выполнение исследования процесса распространения примесей позволили получить ряд практических выводов, от реализации которых в значительной степени зависит чистота воздуха.

Важнейшей задачей, связанной с обеспечением чистоты воздушного бассейна, является предотвращение роста концентраций вредных примесей в воздухе в периоды неблагоприятных метеорологических условий (НМУ), в течение которых усиливается отрицательное влияние загрязнения на здоровье людей и окружающую среду.

В настоящее время прогнозирование случаев значительного роста концентраций является необходимым практически во всех городах. Там, где уровень концентраций значителен, благодаря мерам, принимаемым в период НМУ, предотвращается сильное скопление примесей в приземном слое атмосферы, представляющее опасность для населения.

Несмотря на то, что в последние 10 лет производство сократилось на 30−60%, есть города, которые так насыщены промышленными предприятиями, что на много превышают расчётные нормы предельно допустимой экологической нагрузки (ПДЭН) на данную территорию [28]. Поэтому работа этих предприятий даже на 40−50% от их мощности оказывает большое влияние на загрязнение атмосферного воздуха города, а, следовательно, и на здоровье человека. К таким городам прежде всего относится г. Уфа, где сконцентрированы три нефтеперерабатывающих завода с общей мощностью переработки 50−100 млн. т нефти в год, завод синтетического спирта, Химпром, РТИ, ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3, ТЭЦ-4, Уфимское моторостроительное производственное объединение, агрегатный завод, витаминный завод и многие другие, всего — 49 крупных предприятий, с общим валовым выбросом вредных примесей в 1999 г. — 333,053 тыс. т в год, а в 2000 г. — 357,3 тыс. т.

Во многих городах и, в частности, в г. Уфе сложился высокий уровень загрязнения атмосферы. Отмечающийся в последнее время спад производства по ряду причин не привел к его существенному снижению. Так индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) г. Уфы по формальдегиду, диоксиду азота, пыли, оксиду углерода составил -6,8 ед., а в северной части города ИЗА — 7,2 ед.

Одной из причин сохранения высокого уровня загрязнения является сокращение выбросов на тех источниках, которые не вносят основной вклад в загрязнение воздуха. Крупные предприятия оказались раздроблены на множество мелких предприятий и учёт источников загрязнения со стороны контролирующих природоохранных органов значительно затруднён.

Таким образом, высокий уровень загрязнения воздуха в первую очередь обусловлен снижением уровня природоохранной деятельности. Другая причина сохранения высокого уровня загрязнения воздуха — увеличение количества автомашин, особенно индивидуального автотранспорта. В целом по России за 1998;2000гг. количество индивидуальных автомашин увеличилось на 2,5 млн. единиц. В то же время в подавляющем большинстве городов страны до сих пор не производилась инвентаризация выбросов индивидуального автотранспорта. А с учётом его доли вклад автотранспорта в общий выброс в ряде регионов России составляет 80−90%.

Наиболее доступным и реальным путём снижения уровня загрязнения воздуха, не требующего больших усилий и затрат, является прогноз и предотвращение опасных случаев загрязнения атмосферы города имеющих место в периоды НМУ [24].

Решить проблему чистоты атмосферного воздуха в крупных городах только контрольными методами невозможно, особенно, в сложных экономических условиях сегодняшнего дня. Вот почему все больше внимания и за рубежом и в России уделяется вопросам краткосрочного прогноза загрязнения воздушного бассейна. Разработка методов такого прогнозирования является одной из основных метеорологических задач, решение которых обеспечивает защиту воздушного бассейна над городами без особых затрат и капиталовложений. Широко известны случаи катастрофического роста концентраций в Лондоне, Нью-Йорке, Лос-Анджелесе, Токио и других городах, которые можно было бы предотвратить или уменьшить при заблаговременном прогнозе НМУ и сокращении поступления в атмосферу вредных веществ в эти периоды [58, 59].

В то же время, организация работ по эффективному прогнозированию загрязнения воздуха, предупреждению об опасных случаях и обеспечению их предотвращения требует решения ряда вопросов. Они связаны как с существом работ, так и непосредственно с организацией. Уровень загрязнения воздуха в городах создаётся выбросами множества источников, для каждого из которых имеются свои НМУ. Такое положение требует точного анализа поступления в атмосферу выбросов вредных веществ, установления НМУ для различных групп источников, создания соответствующей системы составления и передачи предупреждений. Организационные сложности связаны с тем обстоятельством, что для достижения необходимого эффекта следует обеспечить не только составление прогнозов и предупреждений, но и регулирование выбросов на предприятиях, проводить контроль над выполнением мероприятий, ведущих к реальному предотвращению опасного увеличения концентраций примесей в воздухе в периоды НМУ.

В промышленном городе действует большое количество источников выбросов вредных веществ в атмосферу. Естественно, источники дают различный вклад в создание уровня загрязнения воздуха, в том числе, в периоды НМУ. Кроме того, для разных источников отличаются метеорологические условия, при которых создаётся наибольшее загрязнение воздуха. До настоящего времени эти положения недостаточно учитываются в работах по предотвращению опасного скопления примесей в воздухе.

Важнейшей проблемой, решение которой в значительной степени посвящена данная диссертация, является установление степени участия предприятий, отдельных производств, отдельных источников выбросов в работах в периоды НМУ. При таком подходе существенно повышается уровень организации работ по прогнозу и предотвращению опасного загрязнения воздуха и их эффективность.

Целью данной диссертации является научное обоснование создания эффективной региональной системы прогноза и предотвращения высоких уровней загрязнения воздуха, формирующихся в периоды НМУ. В соответствии с этой целью в диссертации решались следующие задачи: определение степени участия предприятий, автотранспорта, отдельных источников выбросов в работах по защите атмосферы в периоды НМУ;

— усовершенствование метода прогноза загрязнения воздушного бассейна от отдельных источников с разделением их на группы с учётом комплексов НМУ и максимальных расчётных концентраций источников на примере г. Уфы;

— анализ данных о параметрах выбросов вредных веществ в атмосферу на предприятиях г. Уфы, распределение источников выбросов и поступающих в атмосферу примесей на территории города;

— установление необходимого количества степеней опасности предупреждений и режимов работ в периоды НМУ для предприятий и отдельных производств;

— анализ материалов об интенсивности движения автотранспорта в г. Уфе и определение комплексов НМУ для наиболее напряженных автотрасс;

— разработка статистических схем прогноза загрязнения воздуха, создаваемого автотранспортом;

— разработка системы обслуживания информацией о высоких уровнях загрязнения воздуха в периоды НМУ;

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Усовершенствование метода прогноза загрязнения воздуха, создаваемого отдельными источниками выбросов, на основе анализа массовых данных о параметрах выбросов на предприятиях г. Уфы.

2. Установление новых групп источников выбросов вредных веществ в атмосферу, которые ранее не учитывались в прогностической работе. Определение соответствующих комплексов НМУ для этих групп.

3. Разработка рекомендаций для установления числа степеней опасности предупреждений и, соответственно, режимов работы в периоды НМУ на предприятиях и основных производствах, с учетом вклада источников выбросов в создание уровня загрязнения воздуха. Установление необходимого числа степеней опасности предупреждений и режимов работ при НМУ для предприятий и отдельных источников выбросов г. Уфы.

4. Для составления предупреждений о возможном формировании высоких уровней загрязнения воздуха, создаваемого автотранспортом, по материалам наблюдений 8 в г. Уфе, разработка статистических схем прогноза с использованием данных о концентрациях в воздухе диоксида азота.

5. Составление методических рекомендаций по оптимальной организации и проведению работ по прогнозу загрязнения воздуха в Башкирском Управлении по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (УГМС).

Решение данных задач позволяет разработать региональную систему прогноза и предотвращения высоких уровней загрязнения воздуха отдельно для каждой группы источников в соответствии с установленными комплексами НМУ, что даёт возможность прогнозисту более целенаправленно работать с каждым предприятием и его источниками загрязнения воздуха, а предприятиям — более стабильно и эффективно работать в периоды НМУ.

Выводы о влиянии синоптических условий на загрязнение воздуха N02 (выбросами автотранспорта) по данным наблюдений в г. Уфе заключаются в следующем:

1. Увеличение загрязнения воздуха связано с расположением над данным районом центральной области малоподвижного антициклона, оси малоподвижного гребня, барической седловины.

2. К высокому уровню загрязнения воздуха приводит вынос теплого воздуха и распространение на район города малоподвижного фронта (в связи с наличием в зоне фронта тёплого воздуха на некоторой высоте, что приводит к усилению термической устойчивости атмосферы, в частности, к формированию приподнятых инверсий).

3. Активизация циклонической деятельности приводит к снижению уровня загрязнения воздуха в городе.

4. Относительно чистый воздух имеет место в ситуации с четко выраженным циклоническим тылом за холодным фронтом.

5. При ветрах северного направления происходит некоторое увеличение уровня загрязнения в г. Уфе.

В холодное время года о влиянии синоптических условий на уровень загрязнения воздуха в г. Уфе можно судить по материалам наблюдений.

На рис. 34 показаны характерные синоптические ситуации, оказывающие влияние автотранспорта на загрязнение воздуха в холодный период в г. Уфе. Сравнение с данными за тёплый период показывает наличие общих особенностей такого влияния в зимний и летний сезоны.

Количественным выражением выделенных типов синоптических ситуаций является среднее значение параметра РР при каждом типе (табл. 4.7, 4.8).

заключение

.

1. Установлено, что несмотря на снижение промышленного производства, уровень загрязнения воздуха в городах Республики Башкортостан остаётся высоким.

2. Выявлены основные зависимости уровней загрязнения воздуха в г. Уфе и других городах Республики Башкортостан от метеорологических условий. В целом они соответствуют результатам других разработок и имеющимся представлениям.

3. На основе детального анализа распределения по территории республики потенциала загрязнения атмосферы (ПЗА) проведено климатическое районирование. Выделены 3 зоны ПЗА. При этом наиболее неблагоприятные климатические условия оказались в южной части республики (гг. Салават, Стерлитамак, Ишимбай), где имеет место наибольшее число штилевых дней и инверсий.

4. В результате анализа обширного материала о выбросах вредных веществ в атмосферу г. Уфы установлены основные источники, определяющие загрязнение воздуха в городе, их расположение относительно жилых кварталов и относительно друг друга, выбрасываемые примеси, создаваемые концентрации как отдельными источниками выбросов, так и их совокупностью.

5. Выделены 6 групп источников выбросов. Для каждой группы установлены комплексы НМУ. Для г. Уфы показано значительное преобладание (90%) низких источников.

6. Выполнен специальный анализ группы низких источников выбросов. Эта группа разделена на 3 подгруппы в зависимости от взаимного расположения источников и жилых кварталов. Дополнительно выделена группа низких источников с большими значениями опасной скорости ветра (Um > 5м/с). Проведённые расчеты распространения загрязнения вредных выбросов от стационарных источников при различных скоростях 0,5м/с и 5 м/с показали, что неблагоприятным направлением для г. Уфы является С, СВ, СЗ направления ветра, когда зона загрязнения с превышением ПДК достигает жилых кварталов и значительно увеличивается при скорости ветра 5 м/с.

7. Определен вклад источников выбросов в формирование уровней загрязнения воздуха. Показано, что высокие источники и большинство источников средней высоты не создают экстремально больших концентраций примесей в воздухе. Основной вклад в создание высоких уровней загрязнения воздуха на территории г. Уфы вносят низкие источники выбросов.

8. Разработаны рекомендации по составлению предупреждений трех степеней опасности для выделенных групп источников с учетом установленных комплексов НМУ. На основе этих рекомендаций предупреждения составляются только для тех источников, которые в данной метеорологической ситуации определяют значительное увеличение концентраций вредных веществ в атмосфере.

9. Разработаны рекомендации по установлению количества режимов работ в периоды НМУ для предприятий и отдельных источников в зависимости от создаваемых ими концентраций примесей в жилых кварталах и от уровня загрязнения воздуха в городе. При небольших концентрациях за счет выбросов данного предприятия, оно работает по двум или даже по одному режиму, независимо от степени неблагоприятности метеорологических условий.

10. Установлено, что одним из главных источников загрязнения атмосферы в г. Уфе является автотранспорт. На основе анализа интенсивности движения автомашин и специальных измерений на перекрестках показаны улицы, на которых могут формироваться наибольшие концентрации вредных веществ в воздухе.

11. Для решения задачи защиты атмосферы от загрязнения выбросами автотранспорта в периоды НМУ для г. Уфы разработаны схемы прогноза загрязнения воздуха диоксидом азота с использованием метода множественной линейной регрессии с предварительным исключением нелинейности связей и метода графической регрессии. Изыскания разработанных схем прогноза по независимому материалу показали их достаточную эффективность.

12. Разработан вариант прогностической схемы с использованием комплексных метеорологических предикторов, полученных в результате разложения их рядов по естественным ортогональным функциям. Повышение эффективности в первую очередь относится к прогнозированию высоких уровней загрязнения.

13. Для использования в оперативной прогностической работе составлена карта-схема г. Уфы, на которую нанесены промышленные предприятия, трассы с наиболее напряженным движением, жилые кварталы, стационарные посты наблюдений за загрязнением воздуха.

14. На основе результатов выполненного исследования создана усовершенствованная региональная система работ по защите атмосферы от загрязнения в периоды неблагоприятных метеорологических условий.