Введение Актуальность проблемы. Город Зеленоград представляет собой территориально-

Введение
Введение
Актуальность проблемы. Город Зеленоград представляет собой территориальнопроизводственный комплекс (ТПК), где градообразующей отраслью является электронная
промышленность, наряду с которой достаточно развиты теплоэнергетика, автотранспорт,
строительство и другие [1]. Большинство из этих предприятий применяют сложные
технологии, сопровождающиеся выделением в окружающую среду химических веществ и
соединений, многие из которых относятся к 1 и 2 классам опасности, что, несомненно,
оказывает негативное влияние на экологическую ситуацию в городе
[2].
Настораживающая экологическая ситуация в атмосфере города сложилась в значительной
мере из-за неполного учета экологических последствий от разного рода хозяйственной
деятельности. Существующая в настоящее время система контроля качества воздушного
бассейна не вполне отвечает современным требованиям, так как научно необоснован
перечень контролируемых ингредиентов, а также недостаточна эффективность
проводимых мероприятий по снижению выбросов от промышленных предприятий.
В свете сказанного, исследование состояния атмосферного воздуха, закономерностей
распределения примесей, создание научно-обоснованной системы мониторинга
атмосферного воздуха и разработка методов эффективного контроля и повышения его
качества на территории городского образования является безусловно актуальной
проблемой.
Объектом исследования является приземный слой атмосферного воздуха в городе
Зеленограде.
Предметом исследования является система локального мониторинга приземного слоя
атмосферы города.
Диссертационная работа выполнялась в рамках программы комплексного плана
мероприятий по осуществлению контроля хозяйственной деятельности предприятия ОАО
«ЭЛМА» на соответствие экологическим требованиям. Выполненные исследования
позволят получить четкое представление о качестве
приземного слоя атмосферы, об экологической безопасности промышленных предприятий
г. Зеленограда в различные периоды года, научно и методически обосновать сеть постов
наблюдения и оптимизировать в целом систему мониторинга городской атмосферы,
предотвратить аварийные и залповые выбросы при неблагоприятных метеорологических
условиях (НМУ). На основании решения правления ОАО «ЭЛМА» по подведению итогов
конкурса на лучшую работу 2002 г. автору была присвоена поощрительная премия за
разработку и согласование проекта предельно допустимых выбросов вредных веществ в
атмосферу предприятия ОАО «ЭЛМА», кроме того, автор является лауреатом 11-й
Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов
«Микроэлектроника и информатика-2004», и лауреатом Всероссийского конкурса
«Инженер года» за 2003 год в номинации «Экология и мониторинг окружающей среды».
Целью настоящей работы является: разработка научно-методического обеспечения
локальной системы экологического мониторинга атмосферы территориальнопроизводственного комплекса.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
1. Систематизацией многолетней информации по метеоусловиям и выбросам
загрязняющих веществ в атмосферу города, критическим анализом современного
состояния системы локального мониторинга и определением основных направлений
деятельности по повышению качества приземного слоя атмосферы.
2. Анализом состояния атмосферы Зеленограда, определением климатологических и
производственных аспектов распространения примесей в приземном слое атмосферы,
ранжированием источников загрязнения и определением приоритетного перечня
ингредиентов, подлежащих контролю.
3. Теоретическим обоснованием и разработкой комплексного критерия качества
атмосферы, учитывающего одновременно изменение метеоусловий, мощность источников
выбросов и степень загрязнения атмосферы в городе.
4. Научно-методическим обеспечением системы локального мониторинга и оптимизацией
количества и схем размещения постов систематического контроля качества воздушного
бассейна по критериям минимизации их количества и максимизации информативности.
5. Системным анализом состояния атмосферы, определением приоритетных направлений
и разработкой комплекса природоохранных мероприятий, снижающих выбросы от
промышленных предприятий, находящихся на территории Зеленограда.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Установлены климатологические и производственные закономерности распространения
загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы территориально-производственного
комплекса и на основе количественного описания системы «атмосфера - территория»
выполнено моделирование процесса формирования и распространения примесей от
промышленного предприятия.
2. Теоретически обоснован критериальный принцип анализа атмосферы территориальнопроизводственного комплекса и разработан объективный интегральный показатель
оценки качества приземного слоя, наиболее полно учитывающий сочетание
производственных и природных факторов, что служит научно-методической базой
организации системы локального мониторинга.
3. На основе системного подхода к оценке состояния атмосферы с широким
использованием современных программных комплексов определены приоритетные
ингредиенты приземного слоя атмосферы, подлежащие контролю и разработаны научнометодические основы оптимизации размещения пунктов наблюдения по критериям
минимизации их количества и максимизации репрезентативности информации при
создании сети локального мониторинга.
Практическая значимость работы заключается в следующем: 1. Проведена систематизация
характеристик основных производственных процессов и источников выбросов,
определяющих состояние приземного слоя атмосферы городского образования и
выполнена комплексная оценка качества атмосферы. По значению величины индекса
загрязнения атмосферы (ИЗА<10) экологическая ситуация может быть оценена как
настораживающая.
2. На основе анализа материалов проектов нормативов предельно-допустимых выбросов
(ПДВ) выявлены доминирующие источники и ингредиенты выбросов в атмосферу и
предложены рекомендации по техническим средствам защиты приземного слоя от
загрязнений, нашедшие практическую реализацию в различных производствах (снижение
концентрации хлористого водорода на границе СЗЗ ЗАО «НИИМВ» с 0,5ПДКав. до
0,08ПДКа.в., диоксида азота на границе СЗЗ автокомбината с 1,96ПДКав. до 0,9ПДКав. и
с 1,2ПДКав до 0,06ПДКав. на границе СЗЗ предприятий теплоэнергетики, сокращение
валового выброса фтористого водорода от участка очистки полупроводниковых пластин с
0,0386 т/год до 0,00077 т/год и полное исключение выбросов окислов азота и бихромата
калия).
3. С применением программных комплексов «Zona», «Призма», на основе статистических
расчетов получены сравнительные поля концентраций примесей от основных
предприятий города, что позволило произвести его районирование по степени
экологической напряженности и оптимизировать схему размещения постов наблюдения
системы локального мониторинга атмосферного воздуха по обоснованной номенклатуре
веществ. Результаты исследования приняты к реализации в Зеленоградском отделе
экологического контроля и мониторинга Департамента природопользования и охраны
окружающей среды в качестве «Методических рекомендаций по размещению постов
контроля атмосферного воздуха», утвержденной Зеленоградским отделом экологического
контроля ДПП и ООС от 21.12.2004 г. № 38-2/6.
Методология и методы исследований. Теоретической основой проведенных исследований
служат системный анализ, а также математическое описание закономерностей
распространения примесей в атмосфере.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в
следующие объекты и процессы:
в Зеленоградском отделе экологического контроля Департамента природопользования и
охраны окружающей среды при анализе эффективности действующей системы контроля
приземного слоя атмосферы г. Зеленограда и в качестве «Методических рекомендаций по
размещению постов контроля
атмосферного воздуха» утвержденной Зеленоградским отделом экологического контроля
ДПП и ООС от 21.12.2004 г. № 38-2/6.
- рекомендации автора учтены при модернизации технологии очистки
полупроводниковых пластин на предприятии ОАО «ЭЛМА», при реконструкции системы
обезвреживания выбросов хлористого водорода на предприятии ЗАО «НИИМВ» и на
автокомбинате при установке нейтрализаторов с целью уменьшения выбросов диоксида
азота в цехе обкатки двигателей.
- в учебный процесс Московского института электронной техники в качестве основы
учебно-методических разработок по дисциплине «Методы и приборы контроля
окружающей среды и экологический мониторинг».
Результаты внедрения обеспечили снижение выбросов вредных веществ в атмосферу.
Полученные данные, имеют научно-практическое значение и могут быть использованы
при районировании территории по степени экологической напряженности с целью
строительства и реконструкции микрорайонов города, определении перспектив развития
системы мониторинга атмосферы в г. Зеленограде.
Личный вклад автора. В основном все результаты получены автором лично. Наиболее
существенными из них являются:
1. Систематизация информации по метеоусловиям и выбросам загрязняющих веществ в
атмосферу и критический анализ современного состояния системы локального
мониторинга атмосферного воздуха.
2. Разработка проектов нормативов предельно-допустимых выбросов вредных веществ в
атмосферу для таких предприятий г. Зеленограда, как: ОАО «ЭЛМА» (разрешение на
выброс №38-7/4-270), ЗАО «НИИМВ» (разрешение на выброс №90071), ГУП г. Москвы
«Зеленоградский Автокомбинат» (разрешение на выброс №90017/03).
3. Анализ состояния атмосферы Зеленограда, ранжирование источников загрязнения:
(ТЭК (КОП=400415,3 м3/с), ОАО «Хлебозавод» (КОГ>1369,58 м3/с), ЗАО «Маренго»
(КОП= 390,272 м3/с), Фирма «Зеленоградстрой» (КОП= 104,489 м3/с), ОАО «Элион»
(КОП=98,704 м3/с), ГУП г. Москвы «Зеленоградский Автокомбинат» (КОП=59,205 м3/с),
ОАО «ЭЛМА» (КОП
8
15,511 м /с), и определение приоритетного перечня ингредиентов в наибольшей степени
загрязняющих атмосферу (КОВ (диоксида азота)=2775256,019, КОВ (оксида
углерода)=2173,152, КОВ (ангидрида сернистого)=2800,8, КОВ (взвешенных
веществ)=390,666.
4. Разработка комплексного критерия качества атмосферы, учитывающего одновременно
изменение метеоусловий, мощность источников выбросов и степень загрязнения
атмосферы в городе.
5. Установление закономерностей распространения загрязняющих веществ в г.
Зеленограде, расчет полей концентраций и оптимизация количества и схем размещения
постов систематического контроля качества воздушного бассейна. Комплексная оценка
экологической эффективности расположения постов контроля атмосферного воздуха,
позволило определить их оптимальное расположение (в количестве пяти единиц) на
территории города.
6. Анализ факторов, определяющих качество атмосферы, выявление приоритетных
направлений воздействия на них и разработка комплекса природоохранных мероприятий,
снижающих выбросы от промышленных предприятий, находящихся на территории
Зеленограда.
Достоверность результатов теоретических предложений автора диссертации
обеспечивается хорошим совпадением результатов теоретических расчетов с
экспериментально полученными данными, а также сопоставимостью результатов
прогноза качества воздушной среды с результатами, полученными в реальных условиях.
Экспериментальные исследования проведены в производственных условиях с
использованием лабораторных анализов, проводимых на современном измерительном
оборудовании, компьютерных программных комплексов, имеющихся в аналитическом
отделе ОАО «ЭЛМА» и в Зеленоградском отделе Экологического контроля ДПП и ООС.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты системного анализа состояния атмосферного воздуха города и теоретически
обоснованный комплексный критерий оценки качества приземного слоя атмосферы,
учитывающий одновременно метеорологические и производственные факторы.
2. Закономерности распространения загрязняющих веществ и научно-методическое
обоснование системы локального мониторинга атмосферного воздуха и оптимизация
количества и рационального размещения пунктов наблюдения в системе мониторинга
атмосферного воздуха в г. Зеленограде по критериям минимизации их количества и
максимизации информативности.
3. Рекомендации по комплексу организационных и технических решений по снижению
выбросов от промышленных предприятий, расположенных в городе Зеленограде.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международных,
межвузовских и Всероссийских научно-технических конференциях студентов и
аспирантов «Микроэлектроника и информатика» в 2002 - 2004 гг.
Публикации:
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 17 работах, в том числе в
11 статьях и 6 тезисах докладов на международных и Всероссийских научно-технических
конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и
списка литературы.
Работа изложена на 162 страницах текста, содержит 45 рисунка, 19 таблиц, список
литературы из 126 наименований и 2 приложения.
Основные результаты работы содержат выводы, сделанные в ходе проведенного
исследования.
10
Глава 1. Анализ состояния атмосферного воздуха и системы мониторинга его качества на
территории города.
1.1. Общая характеристика географических и климатических условий города Зеленограда.
Географическое положение, рельеф местности и климат той или иной территории в
значительной степени определяют характер и интенсивность загрязнения атмосферного
воздуха [3,4].
Город Зеленоград площадью 37 км2, и населением около 210 тысяч человек, расположен
на полого-холмистой территории, климат которой определяется как умеренноконтинентальный. Сильных морозов и зноя в Зеленограде не бывает, но отклонения
температуры воздуха от нормы довольно часты [5, 6].
Метеорологические условия в городе Зеленограде можно охарактеризовать
закономерностями, представленными на рис. 1.1-1.5 (по данным наблюдений
метеорологической станции «Тушино»).
-15
месяцы
Рис. 1.1. Среднемесячная температура воздуха (tB) в Зеленограде в 2003г.
11
1,6
1,4 1,2
_ 1 .о
Ж 0,8
m
> 0,6
0,4
0,2
0
1,4
¦4,5...
1,2
4,3_________________
1,2
1,4
1,1—
0,8 0,8 0,8
1,2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Год
месяцы
Рис. 1.2. Средняя месячная и годовая скорость ветра (VB) в Зеленограде в 2003 г.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Рис. 1.3. Сумма осадков за месяц в городе Зеленограде за 2003 год
90
80
70
60
§: 50
9" 40
30
20
10
0
63 62
51
53 54 55
12 3 4 5
67
месяцы
9 10 11 12
Рис. 1.4. Среднемесячная влажность воздуха (ф) в Зеленограде за 2003 год
12
сз
юз
ю
ев
юв
сз
3 I--------(¦
юз
юв
Ь)
сз
ев
юз
юв
Рис. 1.5 Роза ветров за январь (а), июль (б) месяцы в г. Зеленограде и годовая роза ветров
(в) по данным Московского ЦГМС-Р
13
Таким образом, географическое положение, рельеф местности и климатические условия
города Зеленограда в значительной степени способствуют рассеиванию загрязняющих
веществ в атмосферном воздухе исследуемой территории.
Вместе с тем, систематические исследования состояния здоровья детского населения г.
Зеленограда, свидетельствовало о нарушениях в функционировании многих систем и
метаболических процессов в организме детей, выраженном росте показателей
заболеваемости по многим классам неинфекционных болезней [lj.
Отмеченное противоречие приводит к необходимости комплексного подхода к оценке
экологического состояния города и, в частности, качества приземного слоя атмосферы, в
значительной степени определяемой характером городской промышленности.
Таким образом, одна из задач данного исследования состоит в анализе состояния
приземного слоя атмосферы в г. Зеленограде и определении основных факторов,
влияющих на его качество.
1.2. Климатологические аспекты распространения примесей в атмосфере
Загрязнение атмосферы формируется под влиянием трех основных факторов. Это
метеорологические условия рассеивания вредных примесей в атмосфере, и физико-
географические особенности территории [7] и техногенные факторы, включающие
выбросы промышленных предприятий и автотранспорта.
Среди задач по метеорологическим аспектам загрязнения атмосферы, большое значение
имеют исследования закономерностей распространения примесей, без которых
невозможно определение репрезентативных мест и времени наблюдений в целях создания
эффективной системы мониторинга воздуха.
Формирование загрязнения определяется, в первую очередь, метеоусловиями переноса
примесей от источников [8]. Следовательно, если имеется возможность прогнозировать
эти условия, то, используя и решая
14
статистические зависимости, связывающие метеопараметры с загрязнением, можно
прогнозировать его уровень. Базовой информацией при этом являются общие прогнозы
погоды, детализированные с учетом специфики, вносимой городской застройкой.
Наиболее информативными для прогноза загрязнения являются следующие
метеоиараметры: скорость и направление ветра, температурная стратификация,
турбулентный обмен и осадки, комбинация которых образует метеорологический
потенциал загрязнения атмосферы - ПЗА [9, 10].
Различают метеорологический и климатический ПЗА. Метеорологический ПЗА включает
сочетание наблюдаемых (или ожидаемых) метеорологических параметров в
определенный период (час, сутки) и используется при прогнозировании возможных
изменений уровня загрязнения на короткие временные интервалы. Климатический ПЗА
включает многолетние климатические характеристики. Поэтому он позволяет оценить
ожидаемый в данном физико-географическом районе (при заданных выбросах) средний
уровень загрязнения среды [7, 11, 12].
За каждый год рассчитывается ПЗА по следующей схеме:
0,04 0,4z,
ПЗА=2,3 ехр
(1.1)
_(z2-z,)2 (z2-z,)J' где Z| и z2 - являются аргументами интеграла вероятности.
Ох
Ф(г)=-== [е-"'dt, (1.2)
V л- о
при этих аргументах
Ф(г1р1-2Р1; Ф(г2)=1-2Р2, (1.3)
P(q>1.5qn)=P3+Pm, (1.5.)
где Рин - повторяемость приземных инверсий; Рсв - повторяемость скорости ветра 0-1 м/с;
Рз - повторяемость застоя воздуха (приземные инверсии со слабыми ветрами); Ртповторяемость туманов.
Значения z\ и z2 определяются по Ф(2]) и Ф(22) с помощью таблиц [13], при этом
используются средние за год повторяемости Р в долях единицы. Величина ПЗА
показывает, во сколько раз средний уровень загрязнения атмосферы в
15
конкретном районе, определяемый реальной повторяемостью неблагоприятных для
рассеивания примесей метеорологический условий, будет выше, чем в условном.
При таком подходе высокий ПЗА соответствует метеоусловиям, при которых создаются
наибольшие концентрации в приземном слое атмосферы с фиксированными параметрами
выбросов. Следовательно, прогноз ПЗА является определяющим фактором при
составлении прогноза загрязнения атмосферы.
При прогнозе ПЗА важно учитывать климатологические характеристики сочетаний
неблагоприятных погодных условий, к которым, в первую очередь, относятся низкие
инверсии и незначительные скорости ветра.
Специалисты выделяют пять климатических зон с различными уровнями ПЗА: низкий,
умеренный, повышенный, высокий, очень высокий [9, 14]. Прогноз ПЗА и уровня
загрязнения имеет смысл, если исходя из него, будут предприняты какие-либо меры по
регулированию выбросов в атмосферу с целью предотвращения высоких концентраций
[14]. При неблагоприятных метеоусловиях в кратковременные периоды опасного для
населения загрязнения, предприятия должны обеспечивать снижение выбросов вплоть до
частичной или полной остановки производства. Для низких и холодных источников
аномально высокий ПЗА требует еще большого сокращения выбросов. В первую очередь,
указанное снижение выбросов должно быть обеспечено на наиболее мощных источниках
или при прогнозе сноса выброшенного облака примеси на районы жилых застроек.
ПЗА для города определяется по географическим зонам (для европейской части РФ в
среднем принимается равным 2,5).
Для характеристики склонности атмосферного воздуха промышленного города к
загрязнению, применяется метеорологический потенциал рассеивающей способности
атмосферы (МПА) [13].
В качестве основных характеристик метеоусловий в нем использовали вероятность штиля
(Рш), тумана (Рт), осадков (Ро) и ветреной погоды в городе. Совокупность этих
характеристик позволяет оценить количественно МПА, которых рассчитывается по
формуле [15]:
16
МПА= F"' + P"' , (1.6)
где Рш - повторяемость скорости ветра; 0-1 м/с; Рт - повторяемость дней с туманами; Ро повторяемость дней с осадками больше 0.05 мм; Рв -повторяемость скорости ветра, Рв>6
м/с.
Если значение МПА меньше 1, повторяемость процессов, способствующих
самоочищению атмосферы, преобладает над повторяемостью процессов, способствующих
накапливанию вредных примесей в ней. Создаются хорошие условия для рассеивания
примесей в атмосфере. При МПА>1 - условия неблагоприятные для рассеивания
примесей, при МПА>3 - создаются крайне неблагоприятные условия для рассеивания
примесей.
Наибольшее влияние на уровень загрязнения атмосферы в городе и его окрестностях
оказывает скорость ветра. Отдельные сооружения и город в целом представляют собой
препятствие, под влиянием которого скорость ветра в городе, как правило, ослаблена по
сравнению с окрестностями. В условиях же свободной застройки, преобладающей в
районах новостроек, при отсутствии зеленых насаждений существенного ослабления
ветра в жилых массивах не наблюдается. В ряде случаев вблизи торцовых разрывов между
зданиями, наоборот усиление скорости ветра (на 20-50%) по сравнению со скоростью вне
города. Жилые и промышленные здания, изменяя скорость и направление воздушного
потока, оказывают большое влияние на распределение загрязняющих веществ внутри
города. Скорость ветра, способного вынести загрязнения за пределы города, должна быть
больше 5-6 м/с [7].
Таким образом, ПЗА и МПА рассчитываются через метеорологические параметры
состояния атмосферы промышленного центра, но они не учитывают мощности
источников выбросов и характер загрязнения атмосферы.
1.3. Методы оценки уровня загрязнения атмосферы промышленными выбросами
В качестве основных критериев качества атмосферы территории, обычно используются
предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных примесей или соответствующие им
(в ряде стран) стандарты воздуха.
17
Список литературы