Расчетные методы мониторинга атмосферного воздуха

Шпакова Е. Н., специалист Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности

Обеспечение качества атмосферного воздуха, соответствующего национальным стандартам, является одной из приоритетных задач в сфере охраны окружающей среды промышленно развитых субъектов Российской Федерации. В частности, постановлением Правительства РФ № 322 от 15.04.2009 показатели, характеризующие качество атмосферного воздуха, включены в состав показателей эффективности деятельности органов исполнительной власти субъектов РФ. Так же, характеристика качества атмосферного воздуха используется при определении стандартов проживания в регионах Российской Федерации.

Среди обращений жителей города в органы исполнительной власти Санкт-Петербурга запросы, связанные с качеством атмосферного воздуха составляют более 10% от общего количества обращений. Этот факт указывает на высокую степень востребованности информации об уровне негативного воздействия на атмосферный воздух горожанами.

Можно выделить следующие целевые группы, являющиеся потребителями информации об уровне загрязнения атмосферного воздуха: региональные и федеральные органы государственной власти; консалтинговые фирмы, разрабатывающие тома оценки воздействия на окружающую среду намечаемой деятельности; представители экологических служб предприятий, инвесторы и общественность.

Среди органов государственной власти основными потребителями данных об уровне загрязнения атмосферного воздуха, полученными по результатам моделирования являются сотрудники экологической инспекции. Несмотря на то, что в соответствии с Российским законодательством, результаты моделирования не могут служить доказательством правонарушения в сфере охраны атмосферного воздуха, полученные данные могут быть использованы при проведении контрольных мероприятий.

Данные о влиянии выбросов автотранспорта на качество атмосферного воздуха, полученные путем моделирования рассеивания загрязняющих веществ, используются при составлении программ мероприятий по развитию дорожной сети региональным органом исполнительной власти ответственным за развитие транспортной инфраструктуры. Так же инструменты моделирования показали свою эффективность при проектировании промышленных зон и решении иных задач градостроительного планирования.

При принятии решений о размещении новых предприятий результаты моделирования используются органами исполнительной власти, принимающими решения о строительстве социально значимых объектов, таких как мусороперерабатывающие заводы или объекты теплоэнергетики. Кроме того, данные о расчетном уровне загрязнения атмосферы используются проектировочными и консалтинговыми компаниями при проведении оценки воздействия на окружающую среду промышленных предприятий.

Одними из постоянных потребителей результатов сводных расчетов качества атмосферного воздуха являются медики санитарно-эпидемиологического надзора. Данные о распределении как основных, так и специфических загрязняющих веществ используются ими для проведения оценки риска здоровью населения, обусловленному выбросами в атмосферу. При этом наиболее важным фактором является учет максимально большого количества загрязняющих веществ, поскольку многие веществ оказывают существенное влияние на здоровье даже в малых концентрациях. Для оценки рисков здоровью в России разработана и принята к использованию Министерством здравоохранения специализированная методика расчета рисков здоровью на основе результатов моделирования рассеивания загрязняющих веществ.

С ростом экологической грамотности населения и активным участием общественных организаций в вопросах охраны окружающей среды, возрастает сложность и компетентность запросов о качестве окружающей среды, поступающих от граждан. Ввиду сложности и дороговизны организации натурных наблюдений наиболее эффективным способом удовлетворения спроса на информацию о качестве воздуха становиться моделирование. Модельные расчеты так же ложатся в основу организации мониторинговых наблюдений с использованием передвижных измерительных лабораторий.

В основе моделей лежат представления о массовых балансах и о рассеивании загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.

Информация о массе выбросов и режимах эмиссий содержится в проектах предельно допустимых выбросах (ПДВ).

Моделирование процессов рассеивания осуществляется с помощью нескольких классов моделей, среди которых наиболее часто применяют упрощенные модели, полуэмпирические модели турбулентной диффузии, комбинированные модели и диффузионные модели.

Упрощенные модели используют для экспресс оценок распространения загрязняющих веществ в атмосфере. К ним относят так называемые гауссовы модели и методику ОНД 86 — «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий», максимально адаптированную к усредненным условиям рассеивания в климатических зонах России. Данная методика позволяет учитывать метеорологические параметры, влияющие на рассеивание вредных веществ в атмосфере. Методика проверялась в ходе многочисленных экспедиций и в лабораторных условиях, как в нашей стране, так и за рубежом. При этом обычно использовались либо данные специализированных натурных экспериментов, в которых надежно регистрировались характеристики выбросов и необходимые метеопараметры, либо данные обследования сравнительно малых городов, где инвентаризация выбросов может быть обеспечена без особых проблем. Проводились ее независимые оценки (вслепую) на зарубежных данных мониторинга. Уровень точности этой методики соответствует требованиям директив Евросоюза. Методика ОНД-86 позволяет выполнить расчеты концентраций атмосферных примесей для любой точки на рассматриваемой территории.

С 2003 года по заказу Комитета проводились работы по адаптации модели «Эколог-Город», в основе которой лежит методика ОНД-86 к условиям рассеивания в Санкт-Петербурге и данным о выбросах большого количества предприятий. В результате за три года работ был создан и внедрен модульный программный комплекс «Эколог-Город-Санкт-Петербург». Он включает модули для расчета максимально разовых концентраций, относящихся к 20-30-минутному интервалу осреднения при неблагоприятных метеорологических условиях и среднегодовых приземных концентраций. Под приземной концентрацией вредного вещества понимается концентрация вещества на высоте 2 м от поверхности земли.

Исходные данные для расчета содержатся в базе данных источников выбросов в атмосферный воздух и файлы метеорологических параметров. В настоящее время эта база данных содержит информацию о 37 364 источниках, валовой выброс от которых составляет 212 410 тонн в год (табл.1).

Все источники выбросов подразделяются на 2 группы: стационарные и передвижные. Стационарные источники – источники выбросов промышленных предприятий подразделяются на точечные, линейные и площадные. Площадные источники в свою очередь подразделяются на организованные и неорганизованные источники выбросов.Организованный источник загрязнения атмосферы — устройство для направленного вывода загрязняющих веществ в атмосферу (дымовая труба, вентиляционная шахта, аэрационный фонарь). Неорганизованный источник загрязнения атмосферы — не имеет специальных устройств для вывода загрязняющих веществ в атмосферу (автомобильная парковка, зона работы автопогрузчиков, сварочный участок и т.д.). Для стационарных источников база данных формируется по результатам инвентаризации выбросов, выполняемой предприятием для получения разрешения на выброс.

Передвижные источники выбросов это автотранспорт и водный транспорт. Выбросы от автотранспортных источников учитываются в виде эмиссии от участков автомагистралей, представляющих собой полигональные объекты. Объем выбросов зависит от структуры транспортных потоков (скорость, интенсивность, виды транспортных средств), оценка которых производится путем визуального контроля и по данным автоматических датчиков.

Для проведения расчетов используется следующая входная информация:

данные об источниках выбросов:

1. Тип источника — точечный, линейный или неорганизованный (в программе имеются 7 разных типов источников, но по набору исходных данных их можно разделить именно на эти 3 группы).

2. Высота источника над уровнем земли, м.

3. Диаметр устья источника, м (для точечных источников).

4. Температура выбрасываемой газовоздушной смеси, °С.

5. Скорость выброса газовоздушной смеси, м/с (для точечного и линейного источника).

6. Расход газовоздушной смеси, м3/с (для точечного и линейного источника).

7. Выброс загрязняющего вещества, г/с (для каждого вещества).

8. Годовой выброс загрязняющего вещества, т/г (для каждого вещества).

9. Координаты источника.

Сопутствующая входная метеоинформация в модуле максимально-разовых концентраций подразумевает стандартные условия рассеивания для Санкт-Петербурга:

1. Коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы.

2. Средняя температура воздуха самого жаркого месяца в регионе проведения расчета, 0С.

3. Скорость ветра, превышаемая в данной местности в среднем многолетнем режиме в 5% случаев.

При расчете средних концентраций используется файл с метеорологическими и климатическими характеристиками местности, для которой будут проводиться расчеты. Файл содержит данные о средней температуре местности, средней интенсивности осадков, коэффициенте вымывания, а также другие коэффициенты и параметры, определяющие расчет среднегодовых концентраций. Характеристики определяются по результатам наблюдений за 10-летний период.

Результатом расчета является равномерная сетка, с размером ячейки задаваемым оператором. Отчетный файл содержит двумерную таблицу (в формате dbf), полями которой являются координаты расчетных точек и концентрация загрязняющего вещества, в данной точке представленная в абсолютном значении и значении, приведенном к предельно допустимой концентрации данного вещества.

В целях развития расчетных методов для оценки качества воздуха, было разработано три методических документа (табл.2).

Все методики, во исполнение требований российского законодательства, были представлены на государственную экологическую экспертизу в целях установления соответствия методик требованиям, установленным техническими регламентами и законодательством в области охраны окружающей среды. Для экспертизы каждой методики формировалась Комиссия государственной экологической экспертизы из специалистов(ГГО им. Воейкова, НИИ Атмосферы, ВНИИМ им. Д.И.Менделева, Санкт-Петербургский государственный университет и др.). В процессе экспертизы методики дорабатывались по замечаниям экспертов. Все методики, представленные на государственную экологическую экспертизу, получили положительное заключение и были введены в действие Распоряжениями Комитета.

В связи с тем, что Санкт-Петербург занимает второе место в России по количеству автотранспорта и интенсивности движения, совершенствование методологической базы оценки количественных и качественных характеристик выбросов от автотранспорта является одной из приоритетных задач в сфере охраны атмосферного воздуха. За последние годы автомобильный парк Санкт-Петербурга существенно обновился и приблизился по своей структуре к автомобильному парку крупных европейских городов. В связи с этим возникла необходимость ввести классификацию автотранспорта по европейскому принципу и серьезным образом усовершенствовать «Методику определения выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух от автотранспортных потоков, движущихся по автомагистралям Санкт-Петербурга». При этом была учтена специфика структуры автотранспортных потоков, движущихся по автодорогам, и особенности улично-дорожной сети города.

Методика расчета годовых выбросов передвижных источников на автомагистралях Санкт-Петербурга на основе обследования структуры автотранспортных потоков разработана впервые в России. Расчетные формулы, использованные в этом документе, позволяют учитывать суточную, недельную (будние и выходные дни) и сезонную (зима/лето) вариации интенсивности транспортных потоков. Для различных типов магистралей Санкт-Петербурга (центральные, радиальные и транзитные) на основе обобщения данных временной изменчивости интенсивностей автотранспортных потоков получены коэффициенты пересчета, учитывающие нестационарность дорожного движения.

Методика определения массы вредных (загрязняющих) веществ, выбрасываемых водным транспортом в атмосферу Санкт-Петербурга, учитывает изменение фактора выброса судовых установок при различных режимах движения, а так же тип судна и состав используемого топлива. Результаты натурных измерений позволили:

— уточнить значения корректирующего поправочного коэффициента kkr для удельного средневзвешенного выброса оксидов азота — NOх при работе главных энергетических установок на крейсерских режимах движения судов,

— переоценить массовую концентрацию серы в топливе по данным бункеровочных компаний;

— учесть, что по данным финских измерений 30 % судов используют в качестве основного вида топлива для главных дизелей тяжелые сорта топлива (в методике принято содержание серы для расчетов Сs [%] = 1,0 %), а 70 % судов ходят под дизельным топливом (в методике принято содержание серы для расчетов в 2010 г. Сs [%] = 0,17 %).

С учетом доработки Методики определения массы вредных (загрязняющих) веществ, выбрасываемых водным транспортом в атмосферу Санкт-Петербурга, получено хорошее совпадение данных натурных измерений с результатами статистической оценки показателей удельных средневзвешенных выбросов на единицу выработанной мощности судовых энергетических установок.