УДК 502.3:625.7/8 Влияние метеорологических параметров на

УДК 502.3:625.7/8
Влияние метеорологических параметров на процессы рассеивания
выбросов от автотранспорта в условиях города Алматы
Бегимбетова А. С., докторант по специальности 6D060800 –Экология
Казахский Национальный Технический Университет имени К.И. Сатпаева, г.
Алматы
Аңдатпа
ЫҚПАЛ МЕТЕОРОЛОГИЯЛЫ ПАРАМЕТР ШЫҒАРЫНДЫНЫҢ
СЕБУІНІҢ ҮДЕРІСТЕРІНЕ АВТОКӨЛІКТЕН АРА ШАРТТАР АЛМАТЫ
ҚАЛАСЫ
Атмосфералық ауаның күзеті автокөліктің шығарындыларынан болды
астам көкейкесті болады. В соңғы жылдарды автомобилдік көлік бір қаланың
әуе бассейнін ластаушы зарарлы заттың шығарындысының негізгі
бастауларынан болып табылатын. При ластаушы заттың шығарындысының
түпкілікті аумағында ара тәуелділік от жылма-жыл шарттардың ауаның
салтақтануының деңгейі арада несколько реттер өзгеру біледі. Шын мәнісінде
сан кез көтеріңкі салтақтанумен, длительность және салтақтанудың деңгейінің
арада многом қатал метеорологиялы шарттармен анықталады. Қатал
жылдықтың кезінің басын аш- үшін, өткіздір-өткізу көміртектің және азоттың
диоксидының оксидының ортаның шоғырлануының өзгерісінің статистикалық
анализы айды-айынша болды.
Аннотация
Охрана атмосферного воздуха от выбросов автотранспорта становится все более актуальной. В последние годы автомобильный транспорт является одним из основных источников выбросов вредных веществ, загрязняющих
воздушный бассейн городов. При постоянной величине выбросов загрязняющих
веществ в зависимости от погодных условий уровень загрязнения воздуха может изменяться в несколько раз. Фактическое число периодов с повышенным
загрязнением, длительность и уровень загрязнения определяется во многом неблагоприятными метеорологическими условиями. Для выявления неблагопр иятных годовых периодов, был проведен статистический анализ изменения
средних концентраций оксида углерода и диоксида азота по месяцам.
Annotation
The influence of meteorological parameters on the processes of dispersion
of emissions from vehicles in terms of Almaty
The article deals with the problem protection of ambient air from vehicle emissions is becoming increasingly important. In recent years, road transport is a major
source of emissions of harmful pollutants in the air basin cities. At constant emission
of pollutants, depending on weather conditions air pollution levels can vary by several times. The actual number of periods with increased pollution, the duration and the
level of pollution is determined largely by adverse weather conditions. To identify
adverse annual periods was statistically analyzed changes in the average concentrations of carbon monoxide and nitrogen dioxide in months.
Охрана атмосферного воздуха от выбросов автотранспорта становится
все более актуальной. В последние годы автомобильный транспорт является
одним из основных источников выбросов вредных веществ, загрязняющих воздушный бассейн городов. В условиях Казахстана атмосферный воздух многих
городов загрязняется выхлопными газами автотранспорта по причине его быстрого роста за последние годы. Среди них лидирующее место по концентрациям
вредных веществ занимает город Алматы. Непрерывно растущий
автомобильный парк мегаполиса Алматы, на фоне отставания в техническом
аспекте, представленный в основном старыми машинами, несоответствующими
требованиям современных экологических стандартов, оказывает вредное воздействие на окружающую природную среду. В связи с тем, что выбросы з агрязняющих веществ от передвижных источников происходят непосредственно
в приземном слое атмосферы, в настоящей работе проведено изучение влияния
метеорологических параметров на формирование загрязнений от отработанных
газов автотранспорта в городе Алматы. Мегаполис расположен у северных
склонов Заилийского Алатау на высоте 650-1200 метров над уровнем моря.
Город находится в широкой долине, закрытой с трех сторон мощными горами,
что вызывает преобладание штилей и слабого ветра. Климат в городе резкоконтинентальный, с большими колебаниями температур не только в течение
года, но и суток.
При изучении загрязнения атмосферного воздуха определяются
следующие примеси: взвешенные вещества, диоксид серы, растворимые
сульфаты, оксид углерода, оксид азота, диоксид азота, фенол, формальдегид,
фтористый водород, сероводород, аммиак, н/о соединения мышьяка, хлора,
хлористый водород, серная кислота, озона и тяжелые металлы (кадмий, свинец,
цинк, хром, медь).
Состояние загрязнения воздуха оценивается по результатам анализа и
обработки проб воздуха, отобранных на стационарных постах наблюдений.
Основными критериями качества являются значения предельно-допустимых
концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в воздухе населенных мест (таблица 1).
Уровень загрязнения атмосферы оценивается по величине комплексного
индекса загрязнения атмосферы (ИЗА5), который рассчитывался по пяти
веществам с наибольшими нормированными значениями ПДК с учетом их
класса опасности.
Таблица 1 – Значения предельно-допустимых концентраций отдельных
примесей в воздухе населенных мест по Республике Казахстан
Наименование примеЗначения ПДК, мг/м3
Класс опас-
сей
максимальноразовая
(ПДКм.р.)
среднесуточная
(ПДКсс.)
ности
1
2
3
4
0,5
0,15
3
5,0
0,085
3,0
0,04
4
2
Аммиак
0,2
0,04
4
Диоксид серы
0,5
0,05
3
Фенол
0,01
0,003
2
Формальдегид
Оксид азота
0,035
0,4
0,003
0,06
2
3
Бенз(а)пирен.
5
1,5
1
0,001
0,0003
1
Взвешенные вещества
Оксид углерода
Диоксид азота
Свинец
Содержание вредных веществ в атмосферном воздухе городов Казахстана
остается высоким. По данным на 2013 год [1] к загрязненным городам Казахстана (ИЗА5 ≥ 5) отнесены 9 городов, в том числе с высоким уровнем
загрязнения воздуха (ИЗА5 ≥ 7) в 6 городах: Алматы, Кызылорда, Шымкент,
Усть-Каменогорск, Тараз, Караганда.
По результатам данных наблюдений за состоянием загрязнения воздушного бассейна в городах Республики Казахстан наибольший уровень загрязнения
воздуха в 2013 году наблюдался в городе Алматы (ИЗА5 – 11,5) [1].
Контроль качества атмосфернго воздуха в городе Алматы проводится на
5-ти стационарных постах (ПНЗ), расположенных в различных административных районах города:
- ПНЗ №1 – ул. Амангельды, метеостанция (Бостандыкский район);
- ПНЗ №12 – пр. Райымбека, угол ул.Наурызбай Батыра (Жетысуйский
район);
- ПНЗ №16 – микрорайон Айнабулак-3 (Жетысуйский район);
- ПНЗ №25 – ул. Маречека и ул. Б.Момыш-улы (Ауэзовский район);
- ПНЗ №26 – ул. Толе би, 249, микрорайон «Тастак-1» на территории детской поликлиники №4 (Алмалинский район).
Как известно, существенное влияние на рассеивание выбросов
загрязняющих веществ и, соответственно, на уровень наблюдаемого
загрязнения оказывают погодные условия. При постоянной величине выбросов
загрязняющих веществ в зависимости от погодных условий уровень
загрязнения воздуха может изменяться в несколько раз. Фактическое число
периодов с повышенным загрязнением, длительность и уровень загрязнения
определяется во многом неблагоприятными метеорологическими условиями [25]. Природные и климатические особенности способствуют образованию
мощной приземной инверсии температуры, сохраняющейся, особенно в зимний
период, длительное время. Для выявления неблагоприятных годовых периодов,
был проведен статистический анализ изменения средних концентраций оксида
углерода и диоксида азота по месяцам по усредненным показателям данных 5
стационарных постов, результаты которого приведены в таблице 2 и отображены на рисунках 1,2.
Таблица 2 - Среднемесячные концентрации вредных веществ по городу Алматы
в 20012, 20013 годах
Название Оксид углерода Оксид углерода Диоксид азота Диоксид азота
месяца за 2012 год
за 2013 год
за 2012 год
за 2013 год
кон- в долях
цент- ПДКс.с.
рация
мг/м3
кон- в долях
цент- ПДКс.с.
рация
мг/м3
конв долях
цент- ПДКс.с.
рация
мг/м3
кон- в долях
цент- ПДКс.с.
рация
мг/м3
1
Январь
2
4,4
3
1,5
4
6,1
5
2,0
6
0,140
7
3,5
8
0,134
9
3,4
Февраль
3,9
1,3
4,1
1,4
0,130
3,3
0,095
2,4
Март
3,8
1,3
4,6
1,5
0,110
2,7
0,099
2,5
Апрель
2,9
1,0
3,8
1,3
0,100
2,5
0,082
2,1
Май
Июнь
2,4
3,0
0,8
1,0
3,6
2,9
1,2
1,0
0,090
0,080
2,2
2,0
0,081
0,070
2,0
1,8
Июль
2,9
1,0
3,0
1,0
0,070
1,8
0,081
2,3
Август
2,0
0,7
2,5
0,8
0,080
2,0
0,083
2,1
Сентябрь
2,3
0,8
2,2
0,7
0,082
2,0
0,084
2,1
Октябрь
Ноябрь
3,0
4,3
1,0
1,4
3,0
3,6
1,0
1,2
0,090
0,105
2,2
2,6
0,083
0,092
2,1
2,3
Декабрь
4,8
1.6
3,5
1,2
0,120
3,0
0,099
2,5
Среднее
значение
3,3
1,1
3,6
1,2
0,100
2,5
0,090
2,3
Наиболее значимые периоды с неблагоприятными метеорологическими
условиями для рассеивания оксида углерода отмечались в январе, феврале,
марте (рисунок 1). В летний период его концентрация намного меньше, чем в
зимний, что объясняется турбулентным обменом, более развитым летом. Концентрация диоксида азота в холодный период значительно больше, чем в теплый (рисунок 2), что также объясняется преобладанием устойчивой термической стратификации в приземном слое зимой и неустойчивым – летом.
7
концентрация СО, мг/м3
6
5
4
3
2
1
но
яб
рь
де
ка
бр
ь
ок
тя
бр
ь
бр
ь
се
нт
я
ав
г
ус
т
ль
ию
ию
нь
ма
й
ап
ре
ль
ма
рт
ян
ва
рь
ф
ев
ра
ль
0
месяца
концентрация СО мг/м3 за 2008 год
концентрация СО мг/м3 за 2009 год
Рисунок 1– Среднемесячные концентрации оксида углерода, мг/м 3
по городу Алматы в 2012, 2013 годах
0,16
концентрация NO2, мг/м3
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
но
яб
рь
де
ка
бр
ь
ок
тя
бр
ь
бр
ь
се
нт
я
ус
т
ав
г
ль
ию
нь
ию
ай
м
ап
ре
ль
ар
т
м
ян
ва
рь
ф
ев
ра
ль
0
месяца
концентрация NO2 мг/м3 за 2008 год
концентрация NO2 мг/м3 за 2009 год
Рисунок 2 – Среднемесячные концентрации диоксида азота, мг/м 3
по городу Алматы в 2012, 2013 годах
При постоянном режиме выбросов колебания уровня загрязнения
происходят под влиянием условий переноса и рассеивания примесей, т.е.
зависят от метеорологических условий: распределения температур с высотой,
скорости и направления ветра, интенсивности солнечной радиации и влажности
воздуха, количества и продолжительности атмосферных осадков, температуры
воздуха [2-5].
Максимальные концентрации примесей обычно наблюдаются при
некоторой «опасной» скорости ветра, величина которой зависит от параметров
выбросов. Для мощных источников выбросов с перегретыми дымовыми газами
«опасная» скорость ветра составляет 5-7 м/с, для холодных источников – 1-2
м/с [4-5].
Рассеивающая способность атмосферы также зависит от вертикального
распределения температуры воздуха и скорости ветра. Инверсии температуры
(рост температуры с высотой) в сочетании с различными скоростями ветра
могут усиливать опасность накопления примесей или создавать условия для их
рассеивания. Большую опасность для города представляют застойные
ситуации, когда мощная и длительная приземная инверсия сопровождается
слабым ветром. При этом низкие и неорганизованные выбросы, в том числе
выбросы автотранспорта, накапливаются в приземном слое.
Важную роль в формировании уровня загрязнения играет солнечная
радиация, под влиянием которой происходят фотохимические реакции и
образуются вторичные продукты загрязнения, которые могут быть более
токсичными, чем вещества, поступающие от источников выбросов. В ясные
солнечные дни создаются условия взаимного превращения диоксида азота в
оксид азота с образованием озона, окисления диоксида серы с образованием
сульфатных аэрозолей. В результате фотохимического эффекта в загрязненном
воздухе может формироваться фотохимический смог.
Накопление примесей усиливается в тумане, при поглощении примесей
влагой могут образоваться более токсичные вещества. Например, в тумане
происходит окисление диоксида серы до серной кислоты. Доказано, что при
образовании тумана происходит увеличение концентрации примеси на 40-110%
по сравнению с концентрацией ее до тумана. С туманами часто возникают
зимние смоги, когда в течение длительного времени в приземном слое
сохраняются высокие концентрации вредных веществ [4-6].
Осадки приводят к заметному очищению воздуха от большинства
вредных веществ, поступающих как от высоких, так и от низких выбросов.
Сочетание метеорологических параметров, определяющих возможный
при существующих выбросах уровень загрязнения атмосферы характеризуется
величиной ПЗА [7]. Чем выше значение ПЗА, тем хуже условия для
рассеивания примесей, т.е. для очищения атмосферы (таблица 3).
Таблица 3 - Определение ПЗА по среднегодовым значениям метеорологических
параметров
ПЗА
Приземные инверсии
ПовтоМощ- Интенряность, сив-
Повторяемость, %
СкоВ том
рость
числе
Высота
слоя
пере-
Продолжительность
Низкий
Умеренный
Повышенный:
континентальный
Приморский
Высокий
Очень
высокий
емость,
%
км
ность, С
ветра 01 м/сек
мещения, км
тумана, ч
10-20
20-30
20-40
непрерывно подряд
дней
застоя
воздуха
5-10
7-12
3-18
20-30
30-40
30-45
0,3-0,4
0,4-0,5
0,3-0,6
2-3
3-5
2-6
0,7-0,8
0,8-1,0
0,7-1,0
80-350
100-550
100-600
30-45
40-60
40-60
0,3-0,7
0,3-0,7
0,3-0,9
2-6
3-6
3-10
10-30
30-60
50-70
10-25
10-30
20-45
0,4-1,1
0,7-1,6
0,8-1,6
100-600
50-200
10-600
Согласно данным таблицы 3 город Алматы относится к зоне,
характеризуемой очень высоким потенциалом загрязнения. Наиболее высокий
уровень загазованности атмосферного воздуха токсичными компонентами ОГ
автомобилей возникает при штиле, когда скорость ветра близка к нулю [8].
Низкая рассеивающая способность атмосферы обусловлена преобладанием
слабых ветров и мощных приземных инверсий в холодный и теплый периоды
года. Ветровой режим города отличается большим количеством штилевых
периодов (22%) со слабыми ветрами северо-восточного направления летом. В
связи с этим в нижнем слое атмосферы происходит накопление эмиссий
загрязняющих веществ, выхлопных газов автомобилей, вредных выбросов
котельных, ТЭЦ, промышленных объектов и т.д., что ведет к образованию
смога, ставшего привычным явлением для Алматы независимо от времени года.
Средние многолетние фоновые значения Сф загрязнения атмосферного
воздуха г. Алматы связаны с естественными причинами – географическим
расположением города и частой повторяемостью штилей в течение года
(таблица 4).
Таблица 4 - Значения среднегодовых фоновых концентраций вредных веществ
в атмосферном воздухе за 2008-2013 гг. по г.Алматы
№ Примесь
Штиль 0-2 м/с
Скорость ветра (3 - U*) м/с
Концентрация Сф - мг/м3
1 Взвешенные
0,53
0,33
вещества
2 Диоксид серы
0,05
0,018
3 Оксид углерода
7,6
3,04
4 Диоксид азота
0,17
0,10
5 Формальдегид
0,04
0,03
В то же время следует учитывать наличие в городах так называемых ос тровов тепла – разогретых стен жилых и промышленных зданий, что формирует
потоки воздуха от периферии города к его центру со скоростью 0,5-2 м/с [8].
Плотная застройка промышленными и жилыми зданиями, что характерно для г.
Алматы, приводит к повышению температуры воздуха. Для оценки экологической ситуации в условиях слабой проветриваемости города следует принимать
расчетную скорость ветра 0-1 м/с [8] при направлении его поперек магистрали.
Это значительно ухудшает условия проветривания жилой застройки и ограничивает распространение токсичных выбросов автотранспорта.
При изучении экологического состояния воздушного бассейна города
Алматы:
- необходимо проводить дальнейший более детальный анализ загрязнения
атмосферного воздуха мегаполиса, как культурного и финансовоэкономического центра Республики Казахстан;
- установлено, что согласно метеорологическим параметрам город Алматы относится к зоне, характеризуемой очень высоким потенциалом загрязнения.
На сегодняшний день недостаточна изучена проблема влияния метеорологических параметров на процессы рассеивания выбросов от автотранспорта и
требуется дальнейшее проведение исследований в этой области.
Литература
1. Журнал «Информационный бюллетень о состоянии окружающей среды
Республики Казахстан за 2013 год», 2013 г.
2. Разработка методов исследования процессов распространения, трансформации в атмосфере отработавших газов автомобилей // Отчет НИР. – Л.:
ИПТРАН, 1991. – 49 с.
3. Горелик Д.О., Конопелько Л.А. Мониторинг загрязнения атмосферы и
источников выбросов: Аэроаналитические измерения/ Д.О. Горелик, Л.А. Конопелько. – М.: Изд. Стандартов, 1992. – 432 с.
4. Астанин И.К. Мониторинг воздушной среды урбанизированных территорий на примере г. Воронежа: Автореф. дис. … канд. геогр. наук. – Воронеж,
2002. – 24 с.
5. Безуглая Э.Ю. Метеорологический потенциал и климатические ос обенности загрязнения воздуха городов. – Л.: ГМИ, 1980. – 184 с.
6. Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в Ро ссии: Учебное и справочное пособие. – 2-е изд. – М.: Финансы и статистика,
2000. – 672 с.
7. РД 52.04.186-89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы,
Гидрометеоиздат, 1991.- 693 с.
8. А.Б. Дьяков, Ю.В. Игнатьев, Е.П. Коншин и др. Экологическая безопасность транспортных потоков /Под ред. А.Б. Дьякова. – М.: Транспорт,
1989. – 128 с.