Муровский С.П. Особенности загрязнения атмосферы

.
11, 2005 .
149
УДК 621.622
Муровский С.П., инженер
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
М
Особенности р
у
П
С
к
овсий
. загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта в
условиях предгорного рельефа
Проведен расчет рассеивания примесей в пограничном слое атмосферы по существующим методикам в условиях
предгорного рельефа. Проведен анализ полученных результатов, показывающий несовершенство данных методик
в условиях предгорного и горного рельефа, не учитывающих микроклиматические условия: обратную
температурную инверсию, градиент температуры атмосферного воздуха, геоморфологические особенности
рельефа, антропогенный ландшафт и др.
Атмосфера,автотранспорт, загрязняющие вещества, микроклимат территорий
Архитектурно-планировочная организация пространства, размещение объектов жилой застройки, промышленности, транспорта, рекреационных зон в условиях горного и предгорного рельефа требует учета микроклиматических особенностей для обеспечения нормативов качества атмосферного
воздуха.
Объяснение явления микроклимата необычайно сложный вопрос, так как речь идет о закономерностях многокомпонентной системы с очень большим числом степеней свободы, включающих параметры земной поверхности, океана, атмосферы и биосферы.
Атмосферный воздух находится в непрерывном движении, система ветров и распределение давления постоянно меняются. Анализ атмосферных движений позволяет выделять их характерные масштабы глобального, синоптического, мезо- и микрометеорологического уровня.
Циркуляция воздуха в умеренных широтах обуславливается температурой, влажностью, местоположением относительно арктических (антарктических) и тропических фронтов и фронтальных зон.
Многолетние средние положения главных фронтов в разные сезоны называют климатологическими
фронтами.
Циркуляция воздуха в конкретных географических районах определяется местными ветрами, которые возникают в системе общих воздушных течений различного масштаба при различиях по температуре поверхности в течение суток, в направлении суши и воды днем и ночью, а также изменениях
общей циркуляции атмосферы под влиянием рельефа (ветры горных проходов, ущелий, склонов и
долин). Рельеф местности может создавать также усиление ветров в некоторых районах до скоростей,
значительно превышающих скорости в соседних районах [1].
Ветровой режим во многом определяет рассеивание пылевых и газовых выбросов в атмосферу.
Отсутствие ветра часто способствует накоплению или длительному нахождению загрязняющих веществ в воздухе на определенной территории. Одним из самых загрязненных городов на Земле называют город Анкару (Турция), который расположен на Анатолийском плоскогорье (900-1500 м над уровнем моря) с бессточными впадинами (оз. Туз), окруженном параллельными широтными хребтами
высотой до 2500 м.
Количество источников выбросов на единицу площади в данном районе не больше чем в условиях равнины. Морфология и абсолютные превышения бортов над котловиной определяют накопление
и концентрацию загрязняющих веществ имеющихся выбросов.
В горных и предгорных условиях вечернее и ночное охлаждение в пониженных частях рельефа
происходит всегда интенсивнее, чем на склонах и в низинах в связи с вертикальной зональностью
распределения температуры при перепаде высот > 500-1000 м в осеннее-весенний период. В котловинах практически всегда ослаблены скорости ветра [2]. С вершины и со склонов воздух стекает вниз под
влиянием силы тяжести и получает еще дополнительное ускорение за счет горизонтальной термической неоднородности вершина – склон – атмосфера. Для склона характерна термическая неоднородность – температура убывает от вершины и верхних частей склона вниз. По мере уменьшения крутизны склона условия для стока охлаждающегося воздуха ухудшаются. Для условий горного Крыма характерно смешение вечерних бризов и охлажденного ночного воздуха на яйлах главной гряды, где в ве-
150
.
11, 2005 .
сеннее-осенний период характерны низкие ночные или отрицательные температуры.
Расчеты рассеивания примесей в пограничном слое атмосферы с учетом метеорологических данных проведены преимущественно для равнинного или слабо выраженного рельефа [3,4]. Точность и
обеспеченность расчетов зависит от характера подстилающей поверхности. Крупные неоднородности (холмы, долины рек, овраги, здания) искажают результаты расчетов рассеивания, а в условиях горного рельефа они не применимы.
Целью работы является экспериментальное и расчетное определение основных параметров рассеивания выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта и их зависимость от метеоусловий, морфологии рельефа, границы вода - суша, разницы температуры в ограниченном пространстве геоморфологических особенностей рельефа и т.д.
Экспериментальные исследования и расчеты проведены для условий предгорного рельефа Крымских гор (на примере выбросов и рассеивания загрязняющих веществ от автотранспорта в г. Симферополе).
Город Симферополь расположен на второй (II) и третьей гряде (III) Крымских гор - в продольной
долине между ними, по долинам рек Большой и Малый Салгир, расположенных субперпендикулярно
простиранию куэст (II и III гряды). Для куэст характерны крутые южные и полого падающие северные
склоны. Абсолютная высота второй (Внутренней) гряды в городской черте 220 – 300 м, обрывистые
южные склоны возвышаются над продольной долиной всего на 50 – 80 м. Долина р. Б. Салгир делит
город на две части – восточную, более низкую (здесь гряда поворачивает несколько к югу), и западную,
более возвышенную. Городская застройка разместилась не только в долинах, на северных склонах Внутренней гряды, но и на поверхности гряд.
Формы рельефа и их пространственная ориентировка оказывают большое воздействие на климат,
создавая достаточно контрастные микроклиматические зоны по температуре (суточные колебания до
200 С), направлению и скорости ветра, что создает особые условия для рассеивания загрязняющих
веществ.
Котловиноподобный рельеф Крымского предгорья характеризуется обратной температурной инверсией, когда холодный атмосферный воздух ночью спускается с гор по долинам рек и остается в
поперечных долинах II и III гряд Крымских гор до 9 - 10 часов утра. Утреннее солнце быстро прогревает поверхность гряд, в то время как в долине температура на 8 -120 С ниже. Обмен воздушных масс
не происходит до тех пор, пока воздух не прогреется в долине и температура не выровняется. Указанные условия температурного режима характерны при условии штиля. При наличии скорости ветра  4
м/с местная циркуляция стока воздуха нарушается.
В условиях предгорного рельефа автомобильные трассы расположены в долинах рек, на склонах,
в котловине между Внешней и Внутренней грядами. В связи с обратной температурной инверсией в
ночные и утренние часы в долинах накапливаются все промышленные и автотранспортные выбросы.
У подножий склонов, особенно в Салгирской котловине, в долинах Б. и М. Салгира, их истоков,
рек Ангара, Аян происходит скопление холодного воздуха. Согласно работы [5] в зависимости от направления основного потока на склонах различной экспозиции создаются условия, благоприятные
или препятствующие стоку.
В Симферополе организована сеть наблюдений за состоянием атмосферного воздуха по содержанию СО, NOx, SO2, CmHn в 14 пунктах. Наблюдения проводятся 1 раз в месяц.
Обработка результатов режимных наблюдений ГорСЭС в 1998-1999 г.г., 2001-2002 г.г. показывает большие вариации содержания оксидов углерода и азота в различных районах города. Плотная жилая застройка, ширина улиц 8-16 м, тротуаров 1-3 м, густая сеть автодорог, расположение промзоны в
пониженных участках рельефа создают напряженную экологическую ситуацию по качеству атмосферного воздуха. Превышение нормальных среднесуточных значений (ПДКс.с.) зафиксировано в 2-10 раз
в долинах при плотной застройке и не всегда зависит от количества автотранспорта.
Термическая неоднородность атмосферного воздуха приводит к возникновению склоновых потоков, температура убывает от вершины вниз по склону: у подножий склонов в узких частях долины (ул.
Киевская, Луговая, Титова) образуются в утренние часы «озера холода». В северном направлении при
расширении долины, выполаживании рельефа, снижения абсолютных отметок и перепада высот до
.
151
11, 2005 .
25-30 м на малых расстояниях, при отсутствии ветров на склонах, разности температур на вершинах,
склонах и подножиях малы, редко превышают 0,5-30 С.
Исследования инверсии в г. Симферополе проведены в мае 2002 г.г. в штилевую безоблачную и
малооблачную погоду на антициклонической стадии.
Измерение температуры проводили на ЮЗ склоне правого берега р.Б.Салгир в районе Битакских высот (ул. Мате Залки) с 6.00 до 11.00 часов утра на отметке 160, 180, 182, 204 м в течение недели
(рис.1)
Для г. Симферополя проведены расчеты рассеивания примесей от автотранспорта для долины реки
Б. Салгир в месте ее поперечного сечения в районе II
гряды. Ширина долины 800-1800 м, угол наклона СЗ
склона - 150 - 450 (правый берег), СВ склона - 600 - 850
(левый берег).
В долине с С на Ю проходит две магистральные
улицы по обеим берегам Салгира – Киевская и Воровского. В период после 21.00 ч (ночное время) и до
9.00 ч (утренние часы) по отрезку от пл. Куйбышева
и пл. Советской до района Автовокзала проезжает
значительное количество автотранспорта. Данные по
Рис.1. Морфология гряд Крымских гор и пространственно-временному и количественному соосновные напрвления потоков воздуха в ставу автотранспорта, качественному составу газовых
выбросов загрязняющих веществ приведены в табл.
ночное и утреннее время
1.1., 1.2..
Оценка количества вредных веществ, выбрасываемых автомобилями, проведена по методике [6]. Масса
выброса ЗВ за период с 21-00 до 9-00 рассчитана исходя из затрат топлива по формуле:
M = m*G*П
где, М – масса выброшенного за расчетный период вещества (г)
m – удельный выброс вредного вещества автомобилем данной группы (г/кг) (для городских условий),
G – расход топлива (кг), П – коэф. уровня технического состояния.
Зная расходы топлива B (кг/км) для каждой группы автомобилей, находим массу выбрасываемого вредного вещества за 1 сек на автомагистрали длиной 1 км
1 n
B*m* N * П
3600
Концентрация оксидов углерода и азота определена с учетом объема долины реки Б. Салгир (рис. 2.)
Таблица. 1.1
M 
Интенсивность движения автотранспорта и масса выбросов СО в интервале
с 21.00 до 9.00
Временной Количество Масса Концентрация ПДКс.с. Доли ПДКс.с суммарной интервал автотранспорта, выбросов СО, мг/м3
(СО), концентрация выбросов движения, ч авт/ч
СО, мг
мг/м3
СО, n 
21.00-23.00
1000
5,36·107
С
CO
ПДК
3,0
7
23-00-4.00
600
5,29·10
4.00-6.00
1500
6,23·107
6.00-9.00
2600
13,0·107
29,88·107
16,60
5,53
152
.
11, 2005 .
Рис.2. Поперечный разрез долины реки Б. Салгир в районе Петровские скалы- ул. Мате
Залки
Таблица. 1.2.
Интенсивность движения автотранспорта и масса выбросов NOx в интервале
с 21.00 до 9.00
Временной Количество Масса Концентрация ПДКс.с.
интервал автотранспорта, выбросов NОх, мг/м3
(NOx),
движения, ч авт/ч
NOx , мг
мг/м3
Доли ПДКс.с суммарной концентрация выбросов NOx,
n
2,66·106
21.00-23.00
1000
23-00-4.00
600
3,42·10
4.00-6.00
1500
3,96·106
6.00-9.00
2600
7,24·106

С
NО
x
ПДК
0,085
6
17,28·106
0,96
11,29
В основу методики расчета рассеивания примесей в приземном слое положена формула Лайхтмана:
e
q ( x , y) 
y2
2 2 ( x )
2  ( x )
q ( x ) ,
где q(x,y) – концентрация примеси на уровне земли в точке (х,у). Начало координат расположено в точке
проекции источника на поверхность земли, ось х направлена вдоль среднего направления ветра, при его
отсутствии – вдоль направления движения, ось у – нормально к среднему ветру или направлению движения. Величина q ( x ) определяется на основе решения полуэмперического уравнения диффузии оседающей
или невесомой примеси из линейного источника бесконечной длины, направленного вдоль оси у, для
стационарного случая.
Для проведения расчета q(x) автором была использована модифицированная формула Бызовой Н.Л. [4]
для определения:

R
Qe x
R
q( x) 
( )
Г (1   )UH x
.
153
11, 2005 .
Для невесомой примеси предполагается, что подстилающая поверхность не поглощает примеси и не
взаимодействует с ней.
Линейный источник предполагается достаточно длинным. Для линейного источника считаются
следующие параметры поля плотности осадка или концентрации: для невесомой примеси (q0, x0) -
Q
H
Q
Q
Ф() , p 0 
Ф( )
x 0 г  A 1 , для оседающей примеси (q0, p0, x0, l) - q 0 Pb 
2 ,
2
B
UH
UH
UH 2
при   0,1,
q 0 г  D1
HU 

, при  1,   x0  ( ) .
 1 
Для расчета необходимо определить параметры источника, примеси и метеоданные, характер подстилающей поверхности. Расчетные параметры приведены в табл. 2. Показатели параметров рассчитаны согласно [4], метеопараметры определены автором экспериментально для предгорных условий.
Таблица 2.
Параметры для рассеивания примеси в приземном слое от выбросов автотранспорта
x 0 Pb 
Символ
V 1, V 2
U
z0
m
t1
h1
h0
Б1
n
Н
Т
Q

r0
0
r
Содержание
Формулы
1. Метеорологические параметры
1.1. Скорость ветра
Скорость ветра на уровне 1 и 2 м
m
H 
Скорость ветра, средняя в слое от
uH
u1

 
U 
0 до Н
1 m
 z1  1  m
Шероховатость подстилающей
поверхности
Показатель степени закона для
определения скорости ветра
1.2. Температура, параметры устойчивости
Разность температур воздуха на
 t 1  t 2  t 0 ,5
уровне 0,5 и 2м
Высота
верхней
границы
инверсии
Высота
нижней
границы
приподнятой инверсии
Приземный
параметр
 t 1
устойчивости, рассчитанный в Б 1  0 , 033
 12
слое 0,5-1-2 м
Класс устойчивости
2. Параметры источника
Высота источника
а. Время действия источника (для
газовой примеси)
б. Время забора проб или
осреднения концентрации (для
постоянно
действующего
источника (ПДИ))
а.
Количество
выпущенной
примеси (ИКВ)
3. Параметры оседающей примеси
Скорость
гравитационного
  1 , 3  10 6  0 r 0 2
оседания частиц примеси
Радиус частиц примеси
Плотность частиц примеси
Параметр
неоднородности
примеси
Параметр
Параметр Ед. изм.
0,5
1,0
0,37
м/с
0,76
80
м/с
см
0,32
1-2
0
50
м
20
м
С
0,033
7
2
2
м
мин
60
Табл.3 г/с
0,132
м/с
10-6
11
5
м
г/см3
154
.
11, 2005 .
Т а б л иц а . 3 .
Масса выбросов химических веществ в ОГ автотранспорта в зависимости от
интенсивности транспортных потоков
Интенсивность
потока, авт/час
автотранспортного
600
1000
1500
2600
МСО
МNOx
2,94
7,44
8,66
12,07
г/кмс
0,19
0,37
0,55
0,67
MPb
0,002
0,004
0,007
0,019
Т а б л и ц а . 4 . 1 .
Расчет параметров невесомой примеси (газов) на примере СО
Символ
В
~
В
Содержание
Формулы
Параметр
Показатель Ед. изм.
1. Основные параметры
В
основной
параметр
вертикального
рассеивания,
зависящий
от
параметра
устойчивости и Н и поправочного
коэффициента при z0=80
0,01
Модификация В
для расчета
B~  2 B
оседающей примеси
b(H,T)=b Основной параметр горизонтального
0,2
рассеивания, зависящий от Н, Т и
 T 

b
b


0
параметра устойчивости
 20 
0,02
0,15
b0
Значение b при Т=20 мин
0,1
R

C
A1
54
0,73
0,27
0,37
D1
5.2. Легкая примесь
Безразмерные
вспомогательные
параметры
для
расчета
R 
вертикального рассеивания.
Безразмерные
параметры
для
расчета х0 и q0
х0
Для q0, р0 (линейный источник)
q0
Максимальное
значение
q(x),
при
различных
автотранспортных
потоках,
U=0,38м/с
q
q0
x
0
0

 D
CH
B
м
0,41
A
1
H
B
74
Q
1
2
UH
Максимальное значение q(x), при
различных
автотранспортных
Q
q0  D1
потоках, U=0,76м/с
UH
2
3,26
2,34
2,0
0,79
1,57
1,13
0,97
0,38
м
г/м3
г/м3
.
155
11, 2005 .
Т а б л и ц а . 4 . 2 .
Расчет параметров невесомой примеси (газов) на примере NO
Символ
В
Содержание
Формулы
Параметр
Показатель Ед. изм.
1. Основные параметры
В - основной параметр вертикального
рассеивания, зависящий от параметра
устойчивости и Н и поправочного
коэффициента при z0=80
0,01
~
В
Модификация
В
для
расчета
B~  2 B
оседающей примеси
b(H,T)=b Основной параметр горизонтального
0, 2
рассеивания, зависящий от Н, Т и
T
b  b0  
параметра устойчивости
 20 
b0
Значение b при Т=20 мин
R

C
A1
D1
5.2. Легкая примесь
Безразмерные
вспомогательные
параметры для расчета вертикального R 
рассеивания.
Безразмерные параметры для расчета
х0 и q0
х0
Для q0, р0 (линейный источник)
q0
q0
Максимальное значение q(x), при различных
автотранспортных потоках, U=0,38м/с
x
0,02
0,15
0,1
x
0
54
0,73
0,27
0,37
CH
B
 A
q0  D1
м
0,41
1
H
B
Q
UH
Максимальное значение q(x), при
различных
автотранспортных
Q
q0  D1
потоках, U=0,76м/с
UH
2
2
74
м
0,16
0,13
0,09
0,05
г/м3
0,08
0,07
0,04
0,02
г/м3
Согласно расчетам рассеивания примесей по утвержденной Методике [4] табл.
4.1., 4.2. максимальная концентрация оксидов углерода и азота наблюдается по
оси х на расстояние 74 м, по высоте R - 54 м.
Экспериментальные замеры температуры и концентрации СО на ЮЗ склоне
долины в мае 2002 г. (рис. 2., точки 1, 2, 3, 4) показали следующее результаты:
156
.
Т а б л иц а 5 .
11, 2005 .
ВЫВОДЫ:
Результаты экспериментальных замеров
температуры и концентрации СО на ЮЗ
склоне долины реки Б. Салгир
(май 2002 г.)
Проведенные расчеты рассеивания невесомой
примеси (газов) согласно утвержденной Методике [4] не совпадают с экспериментальными замерами концентрации СО. Рассеивание выбросов газообразных веществ от авто№ точки Абс. отм. Время Температура Концентрация транспорта в условиях предгорного и горноСО, мг/м3
замера
замера, ч воздуха, 0С
го рельефа должны учитывать
1
180
6
4
8,10
9
6
7,97
микроклиматические условия: обратную тем11
18
2,30
пературную инверсию, градиент температу6
15
2,17
2
182
ры атмосферного воздуха, геоморфологичес9
20
1,57
11
24
1,63
кие особенности рельефа, антропогенный лан6
4
9,63
3
160
дшафт и др.
9
6
9,48
Общепринятые расчеты границ санитарно-за11
17
8,39
6
18
1,53
4
204
щитных зон, максимальной концентрации ЗВ,
9
24
0,90
рассеивание примесей перпендикулярно на11
26
1,15
правлению движения автотранспорта (линейный источник) и по высоте подъема искажают результаты распространения выбросов в
условиях горного и предгорного рельефа. Данные выводы объясняют наличие смога в г. Симферополе при неблагоприятных метеоусловиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хромов С.П., Петросьянц М.А. Метеорология и климатология. М.: МГУ, 2001.
2. Романова Е.Н., Мосолова А.С., Береснева Н.И. Картирование ветровых характеристик в сложном
рельефе. // Труды ГГО, 1982, вып. 228.
3. Берлянд М.Е., Генрихович В.К., Оникул Р.И. Некоторые актуальные вопросы исследования атмосферной диффузии. // Труды ГГО, 1965, вып. 172.
4. Бызова Н.Л. Методическое пособие по расчету рассеяния примесей в пограничном слое атмосферы. М.: «Гидрометеоиздат», 1973.
5. Поляков Б.В. Гидрометеорологический анализ и расчеты. Л.: «Гидрометеоиздат», 1986.
6. Методика расчета выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта // Министерство охраны
окружающей среды и ядерной безопасности Украины.: К, 1995.