Однимиз основных элементов анализа качества атмосферного воздуха является отборпроб. Если отбор проб выполнен неправильно, то результаты самого тщательногоанализа теряют всякий смысл. Отбор проб атмосферного воздуха осуществляетсячерез поглотительный прибор аспирационным способом путем пропускания воздуха сопределенной скоростью или заполнения сосудов ограниченной емкости. Для исследованиягазообразных примесей пригодны оба метода, а для исследования примесей в видеаэрозолей (пыли) — только первый.
Врезультате пропускания воздуха через поглотительный прибор осуществляетсяконцентрирование анализируемого вещества в поглотительной среде. Длядостоверного определения концентрации вещества расход воздуха должен составлятьдесятки и сотни литров в минуту. Пробы подразделяются на разовые (период отбора20 — 30 мин) и средние суточные (определяются путем осреднения не менее четырехразовых проб атмосферного воздуха, отобранных через равные промежутки времени втечение суток). Обычно для получения средних суточных значений концентрациизагрязняющих веществ в атмосферном воздухе пробы воздуха отбирают в 7, 13, 19 и01 ч по местному декретному времени. Средняя суточная концентрация может бытьполучена и при более частых отборах проб воздуха в течение суток, нообязательно через равные промежутки времени. Наилучшим способом получениясредних суточных значений является непрерывный отбор проб воздуха в течение 24ч.
Дляотбора проб воздуха используются электроаспираторы, пылесосы и другие приборы иустройства, пропускающие воздух, а также устройства, регистрирующие объемпропускаемого воздуха (реометры, ротаметры и другие расходомеры).
Учитывая,что метеорологические факторы определяют перенос и рассеяние вредных веществ ватмосферном воздухе, отбор проб воздуха должен сопровождаться наблюдениями задымовыми факелами источников выбросов и основными метеорологическимипараметрами, к числу которых относятся: скорость и направление ветра,температура и влажность воздуха, атмосферные явления, состояние погоды иподстилающей поверхности. Результаты наблюдений записываются в рабочий журналгидромет наблюдателя, а обработанные результаты — в книжку записи наблюдений зазагрязнением атмосферного воздуха и метеорологическими элементами (КЗА-1).
Методыдискретного отбора проб воздуха для последующего анализа в химическойлаборатории несомненно важны и необходимы в общей системе наблюденийзагрязнения атмосферного воздуха. Однако при получении информации о загрязненииатмосферного воздуха только в сроки 7, 13 и 19 ч нельзя быть уверенным вобъективности информации о средней суточной концентрации. Не исключено, что впромежуточные сроки наблюдались значительно более высокие или более низкиеконцентрации. По данным таких дискретных наблюдений нельзя установить суточныйход концентрации примеси и его зависимость от метеорологических условий.Поэтому на пунктах наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха (ПНЗ) используютсягазоанализаторы позволяющие восполнить пробел в ручных методах дискретногоотбора проб и представляющие информацию о суточном ходе концентрации по записина диаграммной ленте. Наиболее широко используются на ПНЗ следующиегазоанализаторы: для диоксида серы — кулонометрический газоанализатор (ГПК-1) ифлюоресцентный газоанализатор (667ФФ), оксида углерода — оптико-акустический(ГМК-З), оксида, диоксида и суммы оксидов азота — хемилюминесцентный (645ХЛ),углеводородо-ионизационный (623ИН), озона — хемилюминесцентный (652ХЛ).
Сбор и обработка данных о загрязненииатмосферного воздуха
Данныео результатах наблюдений загрязнения атмосферного воздуха и метеорологическихпараметров, о результатах подфакельных и других наблюдений поступают состационарных и маршрутных постов в одно из подразделений местных органовГоскомгидромета, чаще всего в отделы обеспечения информациейнародно-хозяйственных организаций управлений по гидрометеорологии, где онипроходят контроль и сводятся в специальные таблицы, так называемые таблицынаблюдений за загрязнением атмосферы (ТЗА), таблицы подразделяются на четыревида: ТЗА-1. ТЗА-2, ТЗА-З и ТЗА-4:
ТЗА-1- результаты разовых наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха сетипостоянно действующих стационарных и маршрутных постов в одном городе илипромышленном центре, а также данные метеорологических и аэрологическихнаблюдений;
ТЗА-2- результаты подфакельных наблюдений;
ТЗА-3- данные средних суточных наблюдений за выпадением и концентрацией пыли игазообразных примесей;
ТЗА-4- данные суточных наблюдений с помощью газоанализаторов или других приборов иустройств непрерывного действия.
2.8.Математическое моделирование процессов рассеяния вредных веществ в атмосферномвоздухе
Чтобыполучить информацию о пространственной изменчивости концентраций вредныхвеществ в воздухе и по экспериментальным данным составить карту загрязнениявоздуха, необходимо систематически проводить отборы проб воздуха в узлахрегулярной сетки с шагом не более 2 км. Такая задача практически невыполнима.Поэтому для построения полей концентрации используются методы математическогомоделирования процессов рассеяния примесей в атмосферном воздухе, реализуемыена ЭВМ. Математическое моделирование предполагает наличие достоверных данных ометеорологических особенностях и параметрах выбросов. Применимость моделей креальным условиям проверяется по данным сетевых или специально организованныхнаблюдений. Расчетные концентрации должны совпадать с наблюдаемыми в точкахотбора проб.
Модельюможет служить любая алгоритмическая или аналоговая система, позволяющаяимитировать процессы рассеяния примесей в атмосферном воздухе.
Внашей стране наибольшее распространение получила модель профессора М.Е.Берлянда. В соответствии с этой моделью степень загрязнения атмосферного воздухавыбросами вредных веществ из непрерывно действующих источников определяется понаибольшему рассчитанному значению разовой приземной концентрации вредныхвеществ (См), которая устанавливается на некотором расстоянии (хм,)от места выброса при неблагоприятных метеорологических условиях, когда скоростьветра достигает опасного значения (Vм), и в приземном слоепроисходит интенсивный турбулентный обмен. Модель позволяет рассчитывать полеразовых максимальных концентраций примеси на уровне земли при выбросе изодиночного источника и группы источников, при нагретых и холодных выбросах, атакже дает возможность одновременно учесть действие разнородных источников ирассчитать суммарное загрязнение атмосферы от совокупности выбросовстационарных и передвижных источников.
Алгоритми порядок проведения расчетов полей максимальных концентраций изложены в«Методике расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ,содержащихся в выбросах предприятий. ОНД — 86» и в соответствующихинструкциях к программам расчетов.
Врезультате проведенных расчетов на ЭВМ получаются:
максимальныеконцентрации примесей в узлах расчетной сетки, мг/м3;
максимальныеприземные концентрации (См) и расстояния, на которых они достигаются(Хм), для источников выбросов вредных веществ;
долявклада основных источников выбросов в узлах расчетной сетки;
картызагрязнения атмосферного воздуха (в долях ПДКмр);
распечаткавходных данных об источниках загрязнения, метеорологических параметрах,физико-географических особенностях местности;
переченьисточников, дающих наибольший вклад в уровень загрязнения атмосферного воздуха;
другиеданные.
Прогноз загрязнения атмосферы
Всвязи с высокой насыщенностью городов источниками загрязнения, уровеньзагрязнения атмосферного воздуха в них, как правило, существенно выше, чем впригородах и тем более в сельской местности. В отдельные периоды,неблагоприятные для рассеяния выбросов, концентрации вредных веществ могутсильно возрасти относительно среднего и фонового городского загрязнения. Частотаи продолжительность периодов высокого загрязнения атмосферного воздуха будутзависеть от режима выбросов вредных веществ (разовых, аварийных и др.), а такжеот характера и продолжительности метеоусловий, способствующих повышениюконцентрации примесей в приземном слое воздуха.
Воизбежание повышения уровней загрязнения атмосферного воздуха принеблагоприятных для рассеяния вредных веществ метеорологических условияхнеобходимо прогнозировать и учитывать эти условия. В настоящее времяустановлены факторы, определяющие изменение концентраций вредных веществ ватмосферном воздухе при изменении метеорологических условий.
Прогнозынеблагоприятных метеорологических условий могут составляться как для города вцелом, так и для групп источников или отдельных источников. Обычно выделяютсятри основных типа источников: высокие с горячими (теплыми) выбросами, высокие схолодными выбросами и низкие. Для указанных источников выбросов аномальнонеблагоприятные условия рассеяния примесей приведены в таблице 2.3.
Таблица2.3. Комплексы неблагоприятных метеорологических условий для источников разныхтиповИсточники Термическая стратификация нижнего слоя атмосферы Скорость ветра (м/с) Вид инверсии, высота над источником выброса, м на уровне флюгера на уровне выброса Высокие с горячими выбросами Неустойчивая 3-7 7-12 Приподнятая, 100-200 Высокие с холодными выбросами Неустойчивая Штиль 3-5 Приподнятая, 10-200 Низкие Устойчивая Штиль Штиль Приземная, 2-50
Вдополнение к комплексам неблагоприятных метеоусловий, приведенным в таблице2.3. можно добавить следующее:
длявысоких источников с горячими (теплыми) выбросами:
высотаслоя перемешивания меньше 500 м, но больше эффективной высоты источника;
скоростьветра на высоте источника близка к опасной скорости ветра;
наличиетумана и скорость ветра больше 2 м/с.
Длявысоких источников с холодными выбросами: наличие тумана и штиль.
Длянизких источников выбросов: сочетание штиля и приземной инверсии.
Следуеттакже иметь в виду, что при переносе примесей в районы плотной застройки или вусловиях сложного рельефа, концентрации могут повышаться в несколько раз.
Дляхарактеристики загрязнения атмосферного воздуха по городу в целом, т.е. дляфоновой характеристики, в качестве обобщенного показателя используется параметрР:
/> (2.4)
гдеN-число наблюдений за концентрацией примеси в городе в течение одного дня навсех стационарных постах: М — количество наблюдений в течении того же дня сповышенной концентрацией примеси (q), превышающей среднее сезонное значение(q¯сс), более чем в 1,5 раза (q > 1,5 q¯сс).
ПараметрР рассчитывается для каждого дня, как по отдельным примесям, так и по всемвместе. Этот параметр является относительной характеристикой, и его значениеопределяется главным образом метеорологическими факторами, оказывающими влияниена состояние атмосферного воздуха по всей территории города.
Использованиепри прогнозе параметра Р в качестве характеристики загрязнения воздуха погороду в целом (предиктанта) предусматривает выделение трех групп загрязнениявоздуха, определяемых характеристиками, приведенными в таблице 2.4.
Таблица2.4Группа загрязнения Градация параметра Р Уровень загрязнения атмосферного воздуха Повторяемость, % 1 >0,35 Относительно высокий 10 2 0,21-0,35 Повышенный 40 3 =0,35 меньше 5%, то к первой группе загрязнения следует относить градации параметра Р>0,30), ко второй — Р от 0,21 до 0,30.
Вцелях предотвращения чрезвычайно высоких уровней загрязнения, из первой группывыделяется подгруппа градаций с Р > 0,5, повторяемость которой составляет 1- 2%.
Методикапредсказания вероятного роста концентраций вредных веществ в атмосферномвоздухе города предусматривает использование прогностической схемы загрязнениявоздуха, которая разрабатывается для каждого города на основании опытамноголетних наблюдений за состоянием его атмосферы. Рассмотрим общие принципыпостроения прогностических схем.
Прогностическиесхемы загрязнения воздуха в городе должны разрабатываться для каждого сезонагода и каждой половины дня отдельно. При скользящем графике отбора проб воздухак первой половине дня относятся сроки отбора проб в 7, 10 и 13 ч. а ко второй — в 15, 18 и 21 ч. При трехразовом отборе проб к первой половине дня относятсроки отбора проб в 7 и 13 ч, а ко второй — в 13 и 19 ч.
Метеорологическиепредикторы для первой половины дня берутся за срок 6 ч. а данныерадиозондирования — за срок 3 ч. Для второй половины дня в качестве предикторовпринимаются метеоэлементы за срок 15 ч. Характеристики метеорологическихусловий и предикторов, а также их порядок использования в прогнозах детальноизложены в «Методических указаниях по прогнозу загрязнения воздуха вгородах».
Оперативноепрогнозирование загрязнения атмосферного воздуха проводится с цельюкратковременного сокращения выбросов вредных веществ в атмосферный воздух впериоды неблагоприятных метеорологических условий.
Обычносоставляются два вида прогноза загрязнения атмосферного воздуха по городу:предварительный (на сутки вперед) и уточненный (на 6 — 8 ч вперед, в том числеутром на текущий день, днем на вечер и на ночь).
Оптимизация сети наблюдений и контролязагрязнения атмосферного воздуха
Сетьнаблюдений и контроля загрязнения атмосферного воздуха является в настоящем ибудущем единственным экспериментальным средством оценки состояния загрязненияатмосферного воздуха и применимости математических моделей рассеяния примесей ватмосфере. Общими задачами сети являются:
повышениеэффективности, качества, надежности и достоверности данных наблюдений;
внедрениеновых методов многокомпонентного анализа примесей в атмосферном воздухе и вотходящих газах:
достижениеоптимального соотношения используемых в различных городах и населенных пунктахметодов ручного отбора и анализа проб воздуха и полуавтоматических методов,повышение автоматизации средств измерений;
повышениеоперативности сбора, обработки, передачи и использования данных наблюдений в задачахконтроля и регулирования уровней загрязнения атмосферного воздуха;
установлениетенденций и причин изменения уровней загрязнения атмосферного воздуха.
Оптимальнымможет быть вариант совмещения задач исследования характера и причин измененияуровней загрязнения атмосферного воздуха. Однако существующая сеть наблюдений всилу различных причин не способна выполнить эти условия. Поэтому длясовершенствования организации наблюдений состояния атмосферного воздуха иконтроля выбросов должны использоваться методы математического моделирования,оценки загрязнения снежного покрова, аэрокосмические и лазерные дистанционныеметоды.
Наземныепосты наблюдений должны оборудоваться современными высокочувствительными иселективными приборами и системами оценки качества атмосферного воздуха вреальном масштабе времени. С учетом данных комплексного обследования состояниязагрязнения атмосферного воздуха на территории города или населенного пунктадолжна разрабатываться программа оптимизации сети наблюдений. Немаловажнымиявляются выборка и статистическая обработка данных экспериментальныхнаблюдений.
Список литературы
ИзраэльЮ.А.Экология и контроль состояния природной среды. — Л.: Гидрометеоиздат, 1984.
БеккерА.А.,АгаевТ. Б. Охрана и контроль загрязнения природной среды. -Л.: Гидрометеоиздат,1990.