Моделирование как метод корректировки допустимого

53
Доклады ТУСУРа. 2004 г. Автоматизированные системы обработки информации, управления и проектирования
УДК 614.72-519.2
МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД КОРРЕКТИРОВКИ ДОПУСТИМОГО СОДЕРЖАНИЯ СУММЫ
ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ
В.М. Прусаков, Э.А. Вержбицкая, О.Г. Зуева
В статье на примере г. Шелехова установлена возможность определения расчетных
дифференцированных ПДКм/р взвешенных веществ с учетом формирующих их твердых примесей и расположения пунктов наблюдения по отношению к источникам их выделения с использованием результатов моделирования распространения примесей в атмосфере с помощью УПРЗА «Эколог».
Каждый день в атмосферу поступают тысячи тонн вредных веществ, которые вследствие
диффузии перемешиваются с воздухом до полного рассеивания. Этот процесс достаточно хорошо изучен, поэтому его можно использовать при проведении оценок воздействия выбросов
от различных источников на окружающую среду, моделируя условия, влияющие на рассеивание веществ.
Известно, что на процесс рассеивания влияет множество условий, которые могут быть
объединены в 3 основные группы.
1. Метеоклиматические – среднегодовая повторяемость направления ветра и скорости по
этим направлениям, среднегодовая температура летнего и зимнего периодов года, климатическая зона и т.д.
2. Топографические – характеристика местности в данном районе, рельеф.
3. Антропогенные – типы и параметры источников выброса загрязняющих веществ (ЗВ),
расположение источников на промплощадке и их взаимное влияние друг на друга, физикохимический состав выбрасываемых веществ и их количество.
Моделируя вышеперечисленные факторы, можно определить ожидаемые максимальные
концентрации веществ для города в целом либо в конкретных точках; оценить влияние отдельных предприятий, источников и их вклад в формирование соответствующих уровней загрязнения. Это позволяет определить допустимые выбросы отдельных веществ, приоритеты осуществления охранных и профилактических мероприятий, а также предъявить требования к
предприятию для снижения выбросов [1, 2].
Одной из важных проблем охраны атмосферного воздуха и современного экологического
контроля является установление допустимого содержания в атмосферном воздухе суммы веществ, в частности, нормирование взвешенных веществ в условиях выброса многочисленных
твердых примесей, имеющих различные уровни опасности, что следует из официально утвержденных предельно допустимых концентраций (ПДК) [3]. Сумма взвешенных является наиболее широко распространенным показателем загрязненности воздуха, контролируемым в системе экологического и социально-гигиенического мониторингов. Для них также установлены количественные показатели увеличения смертности населения в зависимости от концентрации в
атмосферном воздухе [4].
В настоящее время анализ взвешенных веществ осуществляется весовым методом, т.е.,
как правило, не производится анализ суммы твердых веществ по составляющим компонентам.
54
Доклады ТУСУРа. 2004 г. Автоматизированные системы обработки информации, управления и проектирования
Это не позволяет точно оценить степень опасности воздействия суммы взвешенных, так как
степень загрязнения воздуха оценивается по ПДКм/р взвешенных веществ (код 2902), равной 0,5
мг/м3, которая не зависит от концентрации и ПДК входящих в ее состав веществ. Кроме того,
согласно методическому пособию по расчету, нормированию и контролю выбросов ЗВ в атмосферный воздух [2] расчеты загрязнения по сумме различных по составу взвешенных веществ
в настоящее время не проводятся, так как считаются нецелесообразными из-за отсутствия соответствующего гигиенического критерия качества атмосферного воздуха. Расчет проводится
для взвешенных веществ (код 2902) и для других отдельных пылей, твердых примесей при установлении норматива ПДК, то есть не учитывается влияние всей суммы твердых веществ на
здоровье населения.
В то же время в реальных условиях так называемая сумма взвешенных веществ, определяемая весовым методом, может формироваться из следующих компонентов :
а) пылей с различным содержанием двуокиси кремния;
б) пылей, содержащих соединения металлов и других элементов;
в) пылей, представленных в п. (а) (б) совместно.
При первом приближении во всех этих случаях опасность суммы взвешенных веществ
может быть различной в зависимости от химического состава формирующих ее пылей. Отсюда,
в целях мониторинга загрязнения и разработки нормативов предельно допустимых выбросов
(ПДВ), возникает необходимость либо контролировать все основные или ведущие компоненты,
входящие в ее состав, либо контролировать только сумму взвешенных веществ, определив и
установив уровень ПДК этой суммы. Как правило, в настоящее время используется второй вариант, что обусловлено недостаточными материальными ресурсами федеральных служб контроля, органов власти субъектов федерации и местного самоуправления.
Определение и установление ПДК для различных по составу сумм взвешенных веществ
экспериментальным путем, как это принято для отдельных веществ, – весьма сложная, трудоемкая и дорогостоящая задача. Это связано с разнообразием комбинаций различных по химическому составу твердых примесей, формирующих сумму взвешенных веществ, соотношений
между ними в зависимости от источников на конкретных территориях, особенно от размещения
источников и микроклиматических условий.
В связи с этим нами использован альтернативный прием для исследования возможности
установления значений ПДК суммы взвешенных веществ – комбинации различных по опасности пылей – на основе моделирования рассеивания выбросов отдельных видов пылей и твердых примесей от их источников и формирования различных по составу смесей. Для моделирования использовали принятую в нашей стране диффузионную модель рассеивания выброса
вредных веществ, положенную в основу ОНД-86, и прикладной пакет программ УПРЗА как
официально признанные и используемые при обосновании нормативов ПДК.
Возможности использования метода моделирования концентраций в приземном слое с
помощью программного комплекса «Эколог-2.55» для установления ПДК суммы взвешенных
веществ мы изучили на примере формирования максимальных разовых концентраций суммы
взвешенных веществ. Определение допустимых уровней содержания смеси осуществлялось на
основе ПДК каждого вещества и его долевого вклада в формирование суммарных расчетных
концентраций.
55
Доклады ТУСУРа. 2004 г. Автоматизированные системы обработки информации, управления и проектирования
На первом этапе при определении ПДК суммы взвешенных веществ использовали принцип суммирования эффектов действия входящих в состав суммы отдельных примесей. При
этом исходили из того, что данный принцип обычно применяется при оценке риска многокомпонентного загрязнения окружающей среды [3] и нормировании комбинаций, обладающих однонаправленным действием.
В качестве объекта исследования выбрано загрязнение атмосферы воздуха г. Шелехова.
Шелехов – один из городов Иркутской области с развитой промышленностью. Основными отраслями промышленности являются цветная металлургия, металлообработка, энергетика и
производство строительных материалов.
На территории города площадью 24 км2 проживает около 50 тыс. человек.
Город расположен в зоне высокого метеорологического потенциала загрязнения, обусловленного сочетанием комплекса неблагоприятных метеофакторов (штили, инверсии температур, слабая ветровая активность) и особенностей рельефа. Эти условия создают направленный на жилую зону (южное, юго-восточное и юго-западное направления) перенос выбросов
вредных примесей от промышленных источников. Кроме того, имеет место развитие застойных
явлений в атмосфере и возникновение высоких концентраций вредных примесей в воздухе на
ограниченной территории.
Сочетание высокого потенциала загрязнения атмосферы, особенностей рельефа местности и выбросов промышленных предприятий явилось причиной высокого уровня загрязнения
объектов окружающей среды, ухудшения экологической обстановки в г. Шелехове и на прилегающей территории.
Согласно анализу материалов исследований контролирующих служб, научно-исследовательских и других организаций [5] экологическая ситуация в г. Шелехове и районе его размещения характеризуется в последние годы следующими основными особенностями:
а) высоким и повышенным уровнем загрязнения воздушного бассейна, почв, растительности и поверхностных вод вредными примесями антропогенной природы;
б) существенным ухудшением здоровья населения в виде повышенного риска заболеваемости детей, распространенности
врожденных пороков развития новорожденных и
спонтанных выкидышей, заболеваемости населения злокачественными новообразованиями,
локализацией анемий и токсикозов во время родов.
Источниками антропогенного воздействия на воздушный бассейн г. Шелехова являются
действующие промышленные, энергетические и транспортные предприятия, автотранспорт.
Ведущими среди стационарных источников являются ОАО «СУАЛ-ИркАЗ», ОАО «Кремний», АО Иркутская ТЭЦ-5 (АО ИТЭЦ-5), АО Шелеховский завод железобетонных изделий (АО
ШЗ ЖБИ), АО Ново-Олхинский известковый завод (известковый завод). До 1994 г. по вкладу в
общий выброс к основным промышленным источникам загрязнения атмосферного воздуха
следует отнести ОАО «СУАЛ-ИркАЗ», включая ОАО «Кремний» (62,8–78,6 %), АО ИТЭЦ-5 (7,2–
15,8 %), АО Строймеханизации (2,3–5,1 %), АО ШЗ ЖБИ и АО Ново-Олхинский известковый
завод (по 1,1–4,8 %). Вклад остальных предприятий составляет 0,3–2,1 %, автотранспорта –
5,9–15 %.
Основной вклад отдельных примесей в суммарный валовой выброс стационарных источников вносят твердые вещества (47,9 %), оксид углерода (33,4 %), диоксид серы (6,2 %), твер-
56
Доклады ТУСУРа. 2004 г. Автоматизированные системы обработки информации, управления и проектирования
дые фтористые соединения (3,1 %), диоксид азота (2,4 %), газообразные фтористые соединения (фтористый водород) (1,7 %), а в потенциал опасности общетоксического действия этих
выбросов – фтористый водород (75 %) и твердые фтористые соединения (16,4 %), диоксида
азота (около 8 %), остальные примеси (менее 1 % каждая).
После внедрения системы мероприятий из федерального комплекса уменьшились в основном выбросы твердых и газообразных фтористых соединений, взвешенных веществ и некоторых других.
Однако атмосферный воздух на всей территории города продолжает систематически загрязняться комплексом вредных примесей.
В качестве приоритетных веществ по массе выброса, категории опасности определены
фтористый водород, твердые фтористые соединения, диоксиды серы и азота, оксид углерода,
бенз(а)пирен, формальдегид, взвешенные вещества.
Загрязнение атмосферного воздуха и другие неблагоприятные факторы окружающей среды существенно ухудшают здоровье населения. Согласно оценкам риска вклад загрязнения
атмосферного воздуха в формирование экологически обусловленной дополнительной заболеваемости составляет около 42 %, а вклад в общую заболеваемость и смертность прогнозируется соответственно на уровне 17,35 % и 23,7 %. При этом в формировании риска здоровья, особенно в виде дополнительных случаев смертей, ведущее место принадлежит взвешенным веществам. Согласно исследованиям источников выбросов сумма взвешенных веществ в атмосферном воздухе может представлять собой различные смеси из пылей, содержащих двуокись
кремния (20–70 % и более), пыли перлита (около 90 % двуокиси кремния), твердых фторидов,
аэрозолей оксидов алюминия и кальция, взвешенных веществ, недифференцированных по составу. Характеристика этих примесей и их выбросов приведена в табл. 1.
В атмосфере города взвешенные вещества контролируются весовым методом, степень
загрязнения воздуха оценивается по ПДКм/р, равной 0,5 мг/м3.
Используя метод моделирования концентраций в приземном слое с помощью УПРЗА
«Эколог-2.55», рассчитали один из вариантов формирования максимальных разовых концентраций суммы взвешенных веществ и попытались определить допустимые уровни содержания
этих смесей. При этом решали задачу апробации данного методического подхода.
В расчетах использовали информацию о выбросах твердых веществ, удаляемых от ведущих источников загрязнения города: ОАО «СУАЛ-ИркАЗ», АО ТЭЦ-5, АО ШЗ ЖБИ, ОАО
«Кремний», известковый завод. Всего 192 источника.
Таблица 1 – Характеристика выбросов твердых веществ от предприятий г. Шелехова
Код
Название вещества
0099
0101
0128
0344
2902
2907
2908
3007
Смолистые вещества
Алюминия оксид
Кальция оксид (негашеная известь)
Фториды плохорастворимые
Взвешенные вещества
Пыль неорганическая >70% SiO2
Пыль неорганическая: 70-20% Si
Перлит
Используемый
3
критерий, мг/м
0,50
0,10*
0,30**
0,20
0,50
0,15
0,30
0,05**
Выброс, г/с
41,6980000
58,6850000
103,0943000
45,1095760
406,6050290
156,5773238
50,7641440
66,4430000
Вклад в общий
выброс, %
4,49
6,32
11,1
4,86
43,8
16,9
5,46
7,15
57
Доклады ТУСУРа. 2004 г. Автоматизированные системы обработки информации, управления и проектирования
* – ПДК получена по формуле ПДКм/р= 10 ПДКс/с согласно [6]; ** – мр ОБУВ
Расчеты максимальных разовых концентраций смеси твердых веществ проводились для
5 рецепторных точек, расположенных в различных районах города, удаленных от промышленной зоны на 300–4240 м:
1) микрорайон Привокзальный – 300 м;
2) центр города – 1360 м;
3) микрорайон Северный – 3680 м;
4) пос. Олха – 2960 м;
5) пос. Баклаши – 4240 м.
Согласно выполненным расчетам (табл. 2) в рецепторных точках ожидаются суммарные
концентрации твердых примесей в пределах 2,62–0,50 мг/м3 по массе. По результатам аналитического контроля с помощью ПДК взвешенных веществ (код 2902) содержание смесей
твердых примесей в воздухе превышает допустимый уровень в 1,38–5,24 раза, а с учетом
входящих в их состав отдельных твердых примесей – в 1,69–11,61 раза.
Таблица 2 – Характеристика формирования максимальной разовой концентрации суммы взвешенных
веществ в выбросах промышленных предприятий
Суммарная
Концентрация отдельного вещества
Номер
концентрация
относительно ПДК
точки на
к
территории
к ПДК
3
0099
0101
0344
2902
2907
2908
3007
ПДКj*
мг/м
3
города
(0,5 мг/м )
1 точка
2,62
2 точка
0,50
3 точка
1,94
4 точка
0,95
5 точка
0,69
В среднем
по городу
1,34
7,68
5,24
0,58
1,87
1,21
3,70
0,32
–
–
1,69
1,0
0,06
0,45
0,13
0,73
0,12
0,02
0,18
11,61
3,88
0,12
2,10
0,26
2,32
0,12
0,42
6,27
2,48
1,90
0,16
0,43
0,30
1,49
0,08
0,02
–
2,43
1,38
0,09
0,72
0,28
0,88
0,37
0,05
0,04
5,18
2,68
0,90
1,11
0,44
1,82
0,20
0,13
2,16
* – суммарная концентрация представлена как сумма концентраций отдельных
j-веществ относительно ПДКj
Другими словами, принятая ныне практика оценки реально наблюдаемого загрязнения
воздуха взвешенными веществами занижает требования к их содержанию в данном варианте
расчета в 1,3–2,9 раза (в среднем в 1,9 раза). При этом на территории жилой застройки, ближайшей к источникам выбросов исследованных твердых примесей, гигиеническая оценка реального загрязнения воздуха взвешенными веществами может быть выше в 2,9 раза, чем ныне
считается контролирующими службами. Необходимо отметить, что вклад веществ в формирование суммарного загрязнения атмосферы отличен от их вклада в суммарный валовой выброс.
Он в основном принадлежит неорганической пыли, в среднем по городу – 41,5 % (60–20 % в
зависимости от района), оксиду алюминия – 23,2 % (30–17 %), перлиту – 22,1 % (54 –0%), фторидам – 9,9 % (16–2 %) (табл. 3).
58
Доклады ТУСУРа. 2004 г. Автоматизированные системы обработки информации, управления и проектирования
Таблица 3 – Вклады отдельных веществ в формирование суммарной концентрации суммы
взвешенных веществ
Суммарная
Номер
Вклад отдельных веществ, % от суммы
концентрация
точки на
территории
к ПДК
%
99
101
344
2902
2907
2908
города
1 точка
7,68
100,0
7,55
24,35
15,76
48,18
4,17
–
2 точка
1,69
100,0
3,55
26,63
7,69
43,20
7,10
1,18
3 точка
11,61
100,0
1,03
18,09
2,24
19,98
1,03
3,62
4 точка
2,48
100,0
6,45
17,34
12,10
60,08
3,23
0,81
5 точка
2,43
100,0
3,70
29,63
11,52
36,21
15,23
2,06
В среднем
5,18
100,0
4,46
23,21
9,86
41,53
6,15
1,92
по городу
3007
–
10,65
54,01
–
1,65
22,10
На основе ПДКj каждого j-вещества и его долевого вклада для каждого j-района города
определили ПДКiΣ суммы твердых веществ, контролируемых аналитическими службами как
взвешенные вещества (код 2902), по формуле ПДК iΣ =
n= j
С ji
∑ ПДК
j =1
. Расчетные допустимые
j
концентрации суммы взвешенных веществ колебались в пределах 0,38–0,17 мг/м3 в зависимости от территории, а в среднем составляют 0,3 мг/м3 ( табл. 4) .
Таблица 4 – Характеристика формирования ПДКм/р для i-й суммы веществ
Вклад отдельных веществ в ПДКiΣ , мг/м3
Точка расчета
на территории
99
101
1 точка
0,0378
2 точка
3 точка
2908
3007
мг/м3
344
2902
0,0243
0,0315
0,2409
0,0063
–
–
0,34
0,0178
0,0266
0,0154
0,2160
0,0107
0,0036
0,0053
0,30
0,0052
0,0181
0,045
0,0999
0,0016
0,0109
0,0270
0,17
4 точка
0,0323
0,0173
0,0242
0,3004
0,0048
0,0024
–-
0,38
5 точка
0,0185
0,0296
0,0230
0,1811
0,0228
0,0062
0,0008
0,28
Средняя для
всех точек
0,0223
0,0232
0,0197
0,2076
0,0092
0,0057
0,0111
0,29
Средняя для
точек 1, 2, 4, 5
0,0266
0,02445
0,0235
0,2346
0,0111
0,0041
0,0031
0,32
города
2907
ПДКiΣ,
Наименьшее значение прогнозируемой ПДК 0,17 мг/м3 оказалось в микрорайоне Привокзальном, расположенном от промышленной зоны на расстоянии 300 м, так как основной вклад в
формирование норматива вносит перлит (54,01 %), ОБУВ которого 0,05 мг/м3. Наибольшее значение прогнозируемой ПДК 0,38 мг/м3 получено в более чистом районе – пос. Баклаши, так как
основной вклад в формирование норматива вносит неорганическая пыль (60,08 %) или взвешенные вещества (код 2902) (ПДКм/р=0,5 мг/м3).
Представленные в табл. 5 данные показывают, что оценки уровня загрязнения воздуха с
помощью полученных для i-территорий города ПДКiΣ совпадают полностью с оценками при ис-
59
Доклады ТУСУРа. 2004 г. Автоматизированные системы обработки информации, управления и проектирования
пользовании ПДКм/р отдельных j-веществ, формирующих эту сумму взвешенных веществ (колонки 2 и 5), т.е.
Cij
Сi
=∑
.
ПДК iΣ
ПДК j
Таблица 5 – Сравнительная характеристика возможных ПДК суммы взвешенных веществ
Точка расчета
Расчетная
концентрации
концентрация
3
К средней
Отношение
Ci/ПДКiΣ
ПДКΣ
графа 5
(0,3 мг/м3)
графа 6
5
6
7
0,3408
7,68
8,72
0,88
0,4990
0,2953
1,69
1,66
1,02
1,9395
0,1671
11,61
–
–
2,48
0,946
0,3815
2,48
3,15
0,79
2,43
0,6855
0,2821
2,43
2,28
1,07
ПДКiΣ, мг/м
на территории
к ПДКj
мг/м3
1
2
3
4
1 точка
7,68
2,6170
2 точка
1,69
3 точка
11,61
4 точка
5 точка
Это можно рассматривать как доказательство адекватности оценок при использовании
откорректированной ПДК суммы взвешенных веществ оценкам по сумме отношений концентраций входящих в нее отдельных примесей и их ПДК.
Из рассматриваемых данных также следует, что на территории города можно выделить
два уровня ПДК смесей изученных веществ: 0,28–0,38 мг/м3 (в среднем 0,32 мг/м3) и 0,17 мг/м3.
Следовательно, в условиях загрязнения воздуха твердыми примесями для объективизации гигиенической оценки загрязнения атмосферного воздуха пылью необходимо введение дифференцированных ПДК суммы взвешенных веществ с учетом ее состава для отдельных районов.
В рассмотренном варианте расчетов речь может идти о двух уровнях ПДК: примерно 0,3
и 0,17 мг/м3. Использование осредненной ПДКiΣ 0,3 мг/м3 дает незначительные (2–21%) отклонения от тех, которые могут быть получены при использовании ПДК в каждой рецепторной точке.
В данной работе представлены результаты моделирования по одному из множества других вариантов влияния комплекса предприятий – источников выбросов, поэтому результаты не
могут быть использованы для принятия решения о конкретных значениях ПДК. Они прежде всего демонстрируют возможности методического подхода и позволяют определить основные задачи алгоритма установления дифференцированной по территориальному признаку ПДК смесей твердых примесей, контролируемых в атмосфере городов как пыль (взвешенные частицы)
[6].
В качестве таких задач по результатам данной работы можно назвать следующие:
– расчет концентраций смесей твердых примесей в атмосфере рецепторных точек (с использованием УПРЗА «Эколог»);
– определение вкладов отдельных примесей с известными ПДК в формирование концентраций суммы взвешенных веществ (с использованием ПК «Эколог»);
60
Доклады ТУСУРа. 2004 г. Автоматизированные системы обработки информации, управления и проектирования
– расчет ПДК суммы взвешенных веществ для рецепторных точек при различных условиях воздействия источников;
– выбор значений ПДК суммы взвешенных веществ в рецепторных точках для установления дифференцированных по территориальному признаку ПДК суммы взвешенных веществ;
– обоснование дифференцированных ПДК суммы взвешенных веществ для изучаемой
территории.
Для определения ПДК смеси веществ необходимо дополнительно выполнить расчеты
ПДК с учетом:
а) роли отдельных групп источников выбросов твердых примесей, особенно имеющих
низкие уровни ПДК, например перлита;
б) вероятности возникновения ситуаций с ожидаемыми уровнями ПДК в отдельных рецепторных точках и в целом по городу.
Это позволит оптимизировать задачу определения дифференцированных по территориальному признаку ПДК взвешенных веществ, определяемых весовым способом.
На завершающем этапе разработки ПДК желательно выполнить натурные исследования
состава суммы взвешенных веществ с целью усовершенствования предлагаемых ПДК.
Выводы
1. Оценка уровней загрязнения воздуха взвешенными веществами, имеющими различный химический состав, с использованием ПДКм/р 0,5 мг/м3 является не вполне объективной;
2. Выполненными исследованиями установлена возможность определения дифференцированных ПДКм/р взвешенных веществ с учетом формирующих их твердых примесей и расположения пунктов наблюдения по отношению к источникам их выделения;
3. Для обоснования дифференцированных ПДК взвешенных веществ на изученной территории необходимы дополнительные исследования по оптимизации их определения;
4. Для обоснования достоверности полученных расчетных ПДК необходимо подтвердить
значения, полученные расчетным путем, натурными наблюдениями.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 17.2.3.02-78. Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допустимых
выбросов вредных веществ промышленными предприятиями. – М.: Изд-во стандартов, 1979.
2. Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих
веществ в атмосферный воздух. – СПб, 2002.
3. Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух. – СПб, 2000.
4. Основы оценки риска для здоровья населения при воздействии химических веществ,
загрязняющих окружающую сред / Под ред. Ю.А. Рахманина, Г.Г. Онищенко. – М.: НИИ ЭЧиГОС, 2002. – 408 с.
5. Эффективность федерального комплекса и других мероприятий по улучшению экологической обстановки в городе Шелехове и программа дальнейших действий / Прусаков В.М.,
Басараба И.Н., Вержбицкая Э.А. и др. // В сб. «Охрана окружающей среды в муниципальных
61
Доклады ТУСУРа. 2004 г. Автоматизированные системы обработки информации, управления и проектирования
образованиях на современном этапе»: Материалы межрегион. науч.-практ. конф. – Братск:
БрГТУ, 2002. – С.39–47.
6. РД 52.04.186-89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. – М., 1991.