Методы мониторинга аэрозольного загрязнения снегового

В. Ф. Рапута, д-р физ.-мат. наук
Ин-т вычислительной математики
и математической геофизики СО РАН
(Россия, 630090, Новосибирск, пр. Лаврентьева, 6,
тел.(383) 3306151, Е-mail: raputa@sscc.ru )
В. В. Коковкин, к-т хим. наук
Ин-т неорганической химии СО РАН
С. В. Морозов, к-т хим. наук
Ин-т органической химии СО РАН
Методы мониторинга аэрозольного загрязнения
снегового покрова в окрестностях автотрасс
Аннотация. Предложены модели восстановления кратковременного и длительного
газоаэрозольного загрязнения приземного слоя воздуха выбросами линейного источника.
Установлены зоны интенсивного загрязнения для различных направлений ветра.
Проведены результаты апробации численной модели длительного аэрозольного
загрязнения местности свинцом, полиароматическими углеводородами на данных
маршрутных снегососъёмок в окрестностях Советского шоссе г. Новосибирска.
Анализируются структурные изменения аэрозольных выбросов автотранспорта в зимних
сезонах 1998-2008 г.г.
Введение. Для разработки мероприятий по охране атмосферы от загрязнений
необходимы эффективные методы оценки выбросов от автомагистралей. Эти
выбросы зависят от большого числа факторов: характерных категорий,
интенсивности и скоростей движения автомобилей, изношенности и уровня
эксплуатации двигателей, используемого горючего и др. Разработан ряд методов
оценки годовых газовых выбросов автотранспорта как по городам в целом, так и
по отдельным автотрассам [1,2]. Проводились детальные исследования временной
динамики загрязнения воздуха, влияния метеорологических условий.
Распространение аэрозольных примесей в окрестностях автотрасс изучено
значительно слабее как в плане экспериментальных исследований, так и
количественного описания. Исследования в этом направлении содержатся в
работах [3,4]. В них проводится изучение процессов длительного загрязнения
снегового покрова. Анализ данных химического состава снега с использованием
теоретических представлений о распространении аэрозольных примесей в
приземном слое атмосферы позволил выявить пространственные закономерности
аэрозольных выпадений пыли, различных форм тяжёлых металлов, в частности
свинца, полиароматических углеводородов (ПАУ), макрокомпонентов. На основе
полученных зависимостей проведено оценивание суммарных выбросов
автотранспорта для ряда зимних сезонов, получены оценки относительного
изменения дисперсного состава.
Модель разового загрязнения. Предварительно рассмотрим линейный источник
конечной длины, который расположен по оси y в интервале ( L1 , L2 ) . Пусть
горизонтальное направление ветра составляет с осью x угол  (отсчёт ведётся
от оси x против часовой стрелки). Распространение слабооседающей примеси от
1
точечного источника, расположенного в точке   ( L1 , L2 ) можно описать
следующим соотношением [2,5]
2


M
u1 H 1 n
yP

 ,
q
e
xp


(1)
2
2
2
2
 k (1  n) x
2  0 xP 
(1  n) k1  0 xP 2
P
 1
где M - мощность источника, k1 , u1 – коэффициент вертикального турбулентного
обмена и скорость ветра на 1 м соответственно,  0 - дисперсия отклонений
направления скорости ветра, n – показатель степени в апроксимации скорости
ветра степенным профилем; H – эффективная высота источника,
xP    sin  , yP  b  cos  ,   x cos   y sin  , b   x sin   y cos  .
Тогда, согласно (1), в силу принципа суперпозиции концентрация для линейного
источника определяется равенством
P
q Л ( x, y ,  )   0  e
L1


xP

yP 2
2 0 2  x P 2
d
,
2
xP
(2)
где
при
y  x ctg   L2
 L2
M
u H 1 n
,   1 2 , P  
.
в противном случае
(1  n) k1
(1  n) k1 0 2
 y  x ctg 
В результате интегрирования выражения (2) получим [2]
  cos   2  0 2 sin 2  

   erf S 2  erf S1  ,
q Л  exp  

(3)
2

x
x
2
x


где
  sin 
M
cos 
x
 
, Si  0


,
2 k1 (1  n)
x 2
0 2 sin  0 2 sin  (  Ai sin  )
(4)
S
2
2
i 1,2 , erf S 
 exp(  ) d , A1  L1 , A2   P .
0 

0
Аналитическое выражение поля концентрации (3) с использованием
агрегированных параметров  и  вместо исходных k1 , u1 , H, n, M позволяет
существенно упростить анализ данных наблюдений загрязнения приземного слоя
воздуха. Параметры  , , а также  0 могут быть найдены с использованием (3)
и данных наблюдений методом наименьших квадратов.
При L1   , L2   из соотношения (3) вытекает формула для поля
концентрации, создаваемого бесконечным линейным источником

  cos   2  0 2 sin 2    2 r ( x ,  )

2

  1 
q ( x ,  ) 
exp  

exp(


)
d

(5)
2

  

x
x
2
x
0

 

Здесь
  sin 
cos 
r ( x,  )  0

.
x 2
0 2 sin 
Формула (5) позволяет получить ряд полезных соотношений. В частности из (5)
следует
2
 
2
exp    .
x
 x
Причём максимум выражения (6) достигается при хmax=  . Тогда
(1  n) M
q  ( x max ,0) 
.
eu1 H 1 n

Рассмотрим другой крайний случай   . Тогда при x  0 получим
2

(1  n) M
.
q  ( x, ) 
2
2   0 u1 H 1 n
q ( x,  )  0 
(6)
(7)
(8)
Из (8) вытекает, что при ветре, направленном вдоль автотрассы, концентрация
существенно возрастает по сравнению с (7), поскольку обычно  0  0,15 [5].
Модель восстановление длительного загрязнения. С учётом (1) выражение для
вычисления концентрации оседающей примеси в окрестности автотрассы можно
представить в виде [4]
S ( x, y, 0 ,1 )   0
2  P
  q( x
P
, y P )  ( xP ,1 ) R(  180 ) d d ,
(9)
0 L1
где
 ( xP , 1 )  xP ,
1
1 
w
,
k1 (n  1)
(10)
w - средняя скорость оседания аэрозольных частиц, R() - среднезимняя роза
ветров для рассматриваемой местности.
Существенными параметрами в (9) являются  0 , 1 . Для их оценки
необходимо проведение наблюдений не менее, чем в двух точках местности.
Экспериментальные условия и планирование наблюдений. Систематическое
изучение загрязнения снегового покрова проводилось в окрестностях Советского
шоссе г. Новосибирска. Пробы снега отбирались в конце зимних сезонов 19992008 г.г. по одной или по обеим сторонам от автотрассы. Местность, где проходил
отбор проб, является однородной, практически лишена растительности. Это
позволяет проводить непосредственное сравнение полученных результатов и даёт
возможность существенно упростить интерпретацию данных наблюдений,
поскольку в зимнее время повторяемость ветров южного и юго-западного
направления составляет более 60%. На участке Советского шоссе маршрутные
наблюдения проводятся на протяжении почти десяти лет, что даёт возможность
отслеживать динамику длительного загрязнения, изменения компонентного и
дисперсного состава, оценивать суммарные выбросы автотранспорта. С учётом
протекающих процессов аэрозольного загрязнения окрестностей автотрассы
размещение точек измерения производилось в диапазоне расстояний от 15 до 150
м. Точки наблюдений располагались не равномерно: со сгущением у ближайшего
конца отрезка и постепенным разряжением по мере удаления. Загрязнение
участка местности шириной до 10-20 м, непосредственно примыкающего к
дороге, обусловлено воздействием нескольких процессов, в значительной степени
работой снегоочистительной техники. Требуется определённая корректировка на
3
изменение размеров частиц, содержащих загрязняющие вещества. На данной
стадии исследования это участок целесообразно исключить из рассмотрения.
Для повышения устойчивости оценивания на этапе экспериментальных
исследований следует использовать оптимальные схемы пробоотбора. Расчёт
оптимального размещения точек наблюдений проводится на основе алгоритмов
последовательного анализа и планирования эксперимента [6].
Восстановление полей аэрозольных выпадений. Для восстановления разового
загрязнения в окрестностях автотрассы удобно использовать аналитическое
выражение (3). При этом необходимо использовать 2-3 точки наблюдения. Для
оценивания длительного аэрозольного загрязнения ориентация участков
автотрасс, возле которых проводился пробоотбор, позволяет использовать как
полную модель (9), так и приближённую модель [4]

 
S ( x,  0 , 1 )  10 exp    .
(11)
 x
x 1
Модель (9) дает возможность проводить восстановление полей концентраций
загрязняющих веществ в снеге одновременно по обе стороны от автотрассы. В
этом случае нужна информация о розе ветров для данного зимнего сезона. При
использовании (11) детальная информация о розе ветров не требуется.
Свинец. Результаты оценивания уровней содержания свинца в снеге для
Советского шоссе по модели (9) приведены на рис.1.
а
Рис. 1. Распределение в снеге крупнодисперсной (а)
водорастворенной (б) фракций свинца.
 - опорные, ● - контрольные точки измерений
б
и суммарно мелкой и
Восстановление крупнодисперсной фракции свинца представлено на рис. 1а. На
рис. 1б приведены результаты численного моделирования по суммарному
содержанию свинца в мелкодисперсной и водорастворимой фракциях. Была
использована модель (11), соответствующая слабооседающей примеси ( 1  0 ) . В
этом случае для восстановления функции регрессии использовалась лишь одна
точка наблюдений, удалённая от автотрассы на 50 м. На рис. 2 приведена
динамика распределения свинца по фракциям за три зимних сезона 1998-2001 г.г.
4
а
б
в
1
1
2
1
2
3
3
2
3
Рис. 2. Распределение свинца по фракциям на расстоянии 50 м от полотна дороги
за зимние сезоны 1998–1999 г.г. (а), 1999-2000 г.г. (б), 2000-2001 г.г. (в).
1 – водорастворенная, 2 – мелкая, 3 – крупная фракция
Из анализа рис. 2 вытекает, что усиливается тенденция возрастания доли мелкой и
водорастворённой фракций, связанная с переводом автотранспорта на
неэтилированный бензин. За зимний сезон 2000-2001 г.г. суммарное содержание
свинца в полосе 10-50 м от дороги составил около 140 г/км. Это несколько ниже,
чем за зимний сезон 1999-2000 г.г. (190 г/км). Оценка суммарного выброса
свинца за зиму 1998-1999 г.г. составила 400 г/км.
Полициклические ароматические углеводороды. Оценивание полей
концентраций бенз(а)пирена (БП) в снеге проводилось на данных наблюдений с
помощью регрессионной зависимости (9). В качестве опорных точек наблюдений
выбирались две точки с северо-восточной стороны дороги. На рис. 3, 4 приведены
результаты восстановления полей загрязнений снегового покрова для различных
зимних сезонов.
Рис. 3. Восстановленные аэрозольные
выпадения
БП
в
окрестности
автотрассы в зимнем сезоне 2003-2004
г.г.
Рис. 4. Восстановленные аэрозольные
выпадения
БП
в
окрестности
автотрассы в зимнем сезоне 2007-2008
г.г.
Анализ представленной информации показывает вполне удовлетворительное
согласие оценок выпадений БП с данными наблюдений в контрольных точках.
В табл. содержатся данные по оценке параметров для различных
компонентов ПАУ.
5
Таблица. Оценки параметров регрессии (11) и суммарных выпадений
для различных компонентов ПАУ
ПАУ
Бенз(а)пирен
Перилен
Пирен
Оценка 1
1999 г. 2000 г.
1,27
1,45
1,72
3,6
4,08
4,2
Оценка выпадений, г/км
1999 г.
2000 г.
0,16
1,2
0,6
0,55
1,9
1,5
Анализ представленной информации показывает, что в зимнем сезоне 19992000 г.г. произошёл существенный рост выбросов ПАУ. Размеры аэрозольных
частиц, содержащих ПАУ, также заметно увеличились по сравнению с зимним
сезоном 1998-1999 г.г. Полученные результаты указывают в целом на более
низкую эффективность сжигания используемого топлива двигателями
автомобилей.
Заключение. Проведенное исследование загрязнения приземного слоя воздуха и
снегового покрова выбросами автотранспорта позволяет определить зоны
интенсивного загрязнения для различных направлений ветра. Восстановление
полей концентраций аэрозольных примесей возможно как по обе стороны от
дороги, так и их пересчет на произвольную ориентацию трассы относительно
частей света. Апробация предложенных моделей показала их удовлетворительное
согласие с данными наблюдений ПАУ, различных фракций свинца.
Структурные изменения в аэрозольных выбросах автотранспорта 1999-2000
г.г., произошедшие в результате его перевода на использование неэтилированного
бензина, являются весьма существенными и подтверждаются совместными
экспериментальными и теоретическими исследованиями. Анализ данных
наблюдений 2004, 2008 г.г. показал дальнейшие увеличение выбросов ПАУ, что
связано как с ростом автотранспорта, так и с режимами его движения по городу.
Работа
выполнена
при
финансовой
поддержке
Программы
фундаментальных исследований Президиума РАН, проект 16.6.
Список литературы
1. Фельдман Ю.Г.
Гигиеническая оценка автотранспорта как источника загрязнения
атмосферного воздуха. М.: Медицина, 1973. 379 с.
2. Буренин Н.С., Оникул Р.И., Соломатина И.И. К оценке вклада выбросов автотранспорта в
атмосферу и загрязнения воздуха вблизи автомагистралей //Труды ГГО. 1979. вып. 436. С. 102110.
3. Пчелинцев В.П.
Пространственная изменчивость загрязнения воздушного бассейна г.
Сыктывкара по данным о химическом составе снега // В кн.: Влияние деятельности человека на
природную среду Коми АССР. Сыктывкар. 1982. С. 103-114.
4. Рапута В.Ф., Коковкин В.В., Шуваева О.В., Морозов С.В. Изменение структуры аэрозольных
выбросов автотранспорта г. Новосибирска при переходе на использование неэтилированного
бензина // Оптика атмосферы и океана. 2000. т. 14. № 3. С. 240-243.
5. Берлянд М.Е. Современная проблема атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.:
Гидрометеоиздат, 1975. 448 с.
6. Фёдоров В.В. Теория оптимального эксперимента. М.: Наука, 1971. 312 с.
6