К.х.н. Тургумбаева Р.Х.

Казахский национальный педагогический университет им. Абая, Республика Казахстан

Оценка и прогнозирование загрязнения приземного слоя атмосферы выбросами химического предприятия

Техногенное изменение природы в настоящее время вызывают все трудовые процессы. Несмотря на различие техногенных процессов, происходящих в разных странах и на разных континентах, дифференцированные антропогенные потоки, в конечном счете интегрируются в объектах гео- и биосферы, обусловливая экологический риск в планетарном масштабе. Огромную опасность представляют собой загрязнение и отравление промышленными отходами и другими веществами атмосферы, водоемов, почвы, влекущие за собой нарушение экологического равновесия в природе. Загрязнение воздуха приводит порой к катастрофам, подобным большим стихийным бедствиям. Суммарная мощность антропогенных выбросов во многих случаях сравнима, а часто и превышает мощность естественных источников. Так, природные источники оксида и диоксида азота выбрасывают 30 млн. т азота в год, а антропогенные —35—40; диоксида серы соответственно около 30 млн. т и более 150 млн. т. Антропогенный источник свинца почти в 10 раз превышает естественный.

Исследование реальных экологических ситуаций по данным контроля антропогенных изменений окружающей среды составляет одну из основных задач инженерно-экологического анализа природно-технической геосистемы.

В настоящее время не существует общепринятого метода оценки воздействия на природную среду, позволяющего оценить как проект строительства предприятия, так и деятельность его в период эксплуатации. Объективная оценка состояния системы опирается на комплекс показателей, различных по своей физической природе и базирующихся на различных способах измерений и контроля.

Предприятия химической промышленности, расположенные на юге Республики Казахстан, оказывают доминирующее воздействие на окружающую среду Жамбылского региона РК. Основной вклад в загрязнение атмосферы среди них вносит Новоджамбулский фосфорный завод (НДФЗ).

В данной работе проведена количественная оценка загрязнения атмосферы выбросами промышленного предприятия НДФЗ.

Для количественной оценки загрязнения атмосферы оксидом фосфора нами была использована эмпирическая модель Паскуилла-Гиффорда, основанная на предположениях постоянного точечного источника определенной мощности без помех от земной поверхности и гомогенности характеристик атмосферной дисперсии. В ее основе лежит представление концентрации примеси, выбрасываемой непрерывным точечным источником, в атмосфере, как струи с гауссовыми распределениями по вертикали и в поперечном к ветру направлении:

,

где q -- концентрация примеси в данной точке пространства; x,y,z- декартовы координаты, ось z- вверх-, ось х - по ветру; Q - мощность источника; выброса; σ_y (x) и σ_z (x) - вертикальная и поперечная дисперсии облака примеси; и - скорость ветра, усредненная по слою перемешивания; f_f и f _w поправки на обеднение облака за счет сухого осаждения примеси и ее вымывания осадками; h - эффективная высота источника (то есть высота с учетом первоначального подъема перегретой струи). Сумма экспонент в этой формуле соответствует поверхности земли, не поглощающей примесь, при абсолютном поглощении будет разность. Основным содержанием модели являются обобщающие многочисленные экспериментальные данные, конкретные функции σ_y(х) и σ_z(x) и выражения для h, f_f и f _w .

На практике источники выбросов не являются точечными источниками в строгом смысле этого слова, но для упрощения математического описания их можно считать таковыми. Характер детализации выбранной модели позволяет учитывать особенности местных метеорологических условий и производить расчеты распределения концентрации загрязняющих веществ в текущих метеоусловиях при различных величинах мощности выброса. [1,2].

В работе нами были использованы данные по техническим характеристикам источников выбросов и усредненное значение мощности выброса ЗВ предприятия НДФЗ за период 1993-2002гг. в условиях его реальной эксплуатации. Расчеты осуществлены с помощью универсального интегрированного пакета МАТЛАБ [3].

Так как в выбросах предприятия НДФЗ совместно присутствуют несколько веществ со своими значениями ПДК с концентрацией C_i (i=1, 2, 3,…n), представлялось необходимым определить распределение суммарной концентрации аэрозоля загрязняющих веществ, выброшенных предприятием.

Суммарная безразмерная концентрация аэрозоля (q) определена по формуле:

,

где С₁ , С₂ , …, С_n – концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе в одной и той же точке местности, мг/м³; ПДК_1, ПДК₂ , …, ПДК_n ‑ соответствующие максимальные предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, мг/м³.

Поскольку наибольшее загрязнение окружающей среды происходит при штиле, нами были проведены расчеты ЗВ для скорости ветра 0,1 м/с, т.е. при условиях близких к штилевым.

На рис 1 приведено пространственное рассеивание аэрозоля загрязняющих веществ в атмосфере. Точка расположения источника выброса соответствует координатам х=0, у=0. Направление ветра совмещено с направлением оси х. Видно, что аэрозоль распределяется над всей прилегающей к предприятию территории, постепенно по мере удаления от источника выброса снижается до 0,015 долей ПДВ на расстоянии 20 км.

Рис. 1 - Пространственное распределение аэрозоля в приземном слое атмосферы. Оси х и у ‑ расстояния, километры; ось z – концентрация, доли ПДВ. Условный точечный источник выброса соответствует координатам х=0, у=0.

Использованная модель позволяет прогнозировать степень загрязнения атмосферного воздуха при различных мощностях выброса и получить распределение аэрозоля ЗВ по зонам опасности для человека. Проведение расчета для мощности выброса в устье условного источника равной 50 долям ПДК показало, что при ситуации близкой к штилевой на расстоянии до 13 км концентрация аэрозоля превышает ПДК и в селитебной зоне составляет 0,9 долей ПДК (рис.2).

Таким образом, представленные результаты расчета рассеяния аэрозоля в приземном слое атмосферы с помощью использованной в работе эмпирической модели Паскуилла-Гиффорда позволяет прогнозировать распределение концентрации токсических веществ внутри зоны, то есть позволяет выделить более опасные части зоны заражения. При этом осуществляется возможность выделения зоны, в которой здоровью человека будет нанесен существенный ущерб.

Рис.2 - Распределение аэрозоля в приземном слое атмосферы по зонам опасности. На кривых указаны величины безразмерной суммарной концентрации аэрозоля в долях ПДК.

Анализ полученных данных позволяет оценивать ситуацию загрязнения воздушного бассейна газообразными выбросами промышленного предприятия по переработке фосфоритов и открывает возможность прогнозирования загрязнения приземного слоя атмосферы при различной интенсивности выброса загрязняющих веществ.

Литература

1. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. РД 52.04.253-90. Л.: Гидрометеоиздат, 1991, 23с.

2. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. / Под ред М.Е. Берлянда, Г.И. Сидоренко. – Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 448с.

3. В.П. Дьяконов. МАТЛАБ 6: учебный курс. СПб: Изд. Питер, 2001.- 592с.