Экомониторинг воздушной среды города Зеленограда
Автор: Кобозев Д.Д.
Журнал: Международный журнал гуманитарных и естественных наук @intjournal
Рубрика: Биологические науки
Статья в выпуске: 3-1 (78), 2023 года.
Бесплатный доступ
В данной работе рассматривается процесс техногенного загрязнения атмосферы г. Зеленограда стационарными и передвижными источниками на основе решения уравнения турбулентной диффузии. С помощью унифицированной программы расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА) «Эко-центр». Смоделирован процесс переноса примесей и построены поля их рассеивания, позволяющие рационализировать размещение постов контроля системы мониторинга атмосферы. Главным системообразующим признаком наукоемкой природно-технической геосистемы является взаимосвязь социально-экономических, производственных и природных процессов, поэтому исследование рассеивания загрязнений в атмосфере очень актуально для предприятий микроэлектроники, так и населения города.
Загрязнение атмосферы, примесь, посты контроля, первичный и вторичный загрязнитель, турбулентная диффузия, компьютерное моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/170197903
IDR: 170197903 | DOI: 10.24412/2500-1000-2023-3-1-6-11
Текст научной статьи Экомониторинг воздушной среды города Зеленограда
Исследования проводились на основе статистических показателей загрязнения атмосферного воздуха, предоставленных территориальным органом Роспотребнадзора Зеленоградского АО и ГПБУ «Мосэкомониторинг» (таблица 1) на основании измерений постами экологического селитебных зонах.
Несмотря на приемлемый в целом уровень загрязнения г. Зеленограда, из докладов по состоянию атмосферного воздуха г. Москвы за 2020-2022 г. известно о жалобах жителей некоторых микрорайонов на качество атмосферного воздуха (рис. 1).
контроля, расположенных, как правило, в
Таблица 1. Основные загрязнители атмосферы г. Зеленограда за 2020-2022 годы
Вещество |
NO |
NO 2 |
SO 2 |
CH 4 |
O 3 |
CO |
|
Количество измерений |
|||||||
2020 |
1030 |
1029 |
351 |
343 |
730 |
||
2021 |
2021 |
1023 |
351 |
717 |
361 |
1092 |
|
2022 |
978 |
978 |
313 |
335 |
1000 |
||
Средняя концентрация, мг/м3 |
|||||||
2020 |
0,04 |
0,053 |
0,003 |
1,33 |
0,04 |
0,55 |
|
2021 |
0,04 |
0,053 |
0,0027 |
- |
- |
- |
|
2022 |
0,0141 |
0,0182 |
- |
- |
- |
- |
|
Максимальная концентрация, |
мг/м3 |
||||||
2020 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
2021 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
2022 |
0,262 |
0,104 |
- |
- |
- |
- |
|
Количество измерений, когда зафисикровали превышение ПДК зв |
|||||||
2020 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
2021 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
2022 |
25 |
- |
0 |
- |
- |
- |
Результаты обследования передвижной экологической лабораторией ГПБУ «Мосэкомониторинг» подтвердили опреде- ленную правомерность заявлений граждан (рис. 2), что, вероятно, связано с неблагоприятными метеоусловиями.

Рис. 1. Селитебные территории г. Зеленоград, обследованные передвижной экологической лабораторией ГБПУ «Мосэкомониторинг»
– место превышения ПДК загрязнителей
Последнее обстоятельство свидетельствует о необходимости математического и компьютерного описания рассеивания примесей и дальнейшей работы по повышению объективности и информативности системы экологического мониторинга.
Математическая модель распространения химических соединений в атмосфере основана на уравнении турбулентной диффузии [1, 2]:
8C(x,y,z,t) dt
+ div(f) + Л • С (х, у, z , t) = 0,
где C(x,y,z,t) - функция распространения концентрации загрязняющего вещества; ] -представляет собой сумму потоков диффузии: J=J1+J2 (молекулярной + турбулентной):
Л = С(х, у, z, t) • v(x, у, z), Л = -(К1 + К2) • grad(C(x,y,z, где XC(x,y,z,t) - описывает возникновение дополнительной концентрации примеси при воздействии на неё каких-либо погодных условий (осадки, туман и т.д.); -представляет собой поток молекулярной диффузии; - представляет собой поток турбулентной диффузии и имеет название закон Фика; Ki - коэффициент молекулярной диффузии, который отражает перенос вещества в нижний слой атмосферы; K2 – коэффициент турбулентной диффузии в случае анизотропной среды.
Далее уравнение (1) после математических преобразований принимает вид:
57 + ^«57 + МО 57 + ” z (t) 57 = 57^ + 57МО 57 + 57^ (0 g - x(t-)c(^. (2)
где t - время распространения примеси, с; (vx, vy, vz) - составляющие средней скорости перемещения вещества соответственно по направлению осей x, y, z , м/с; (kx, ky, kz) - горизонтальные и вертикальные составляющие компонента турбулентной диффузии (коэффициенты обмена), м2/с; К - коэффициент трансформации примеси по причине воздействия на неё атмосферных осадков (дождь, морось, туман), с-1; - первые частные производные по координатам, называемые градиентом концентрации, показывающие изменение скорости распространения концентрации
ЭС по направлению; ^- - первая частная производная концентрации по времени, которая определяет изменение скорости концентрации во времени.
Применяя различные допущения о реальных погодных условиях относительно уравнения (2), указав начальные и граничные условия и решив дифференциальное уравнение с частными производными второго порядка, получаем нестационарную функцию распространения химических веществ в атмосфере [1, 2]:
С(х, у, z, ))
М (x-E x t)2
----------е 4kt 8(knt)3 / 2
2 (Z-H)2 (Z+H)2 ^е-ЧйКеЧк^ 4ktv
где M - мощность непрерывного точечного источника (выбросы вещества в единицу времени), кг/с; t - время распространения вещества, с; k - коэффициент турбулентной диффузии, м2/с; v x - средняя скорость ветра в горизонтальном направлении, м/с; H - эффективная высота подъёма «факела», м.
Применение свёртки по времени к формуле (3) позволяет произвести расчёт концентрации газообразного вещества согласно модели Гаусса в любой расчётной точке независимо от времени при следующих условиях [1, 2]:
С (х, у, z)
М ^Ех
=-- е 2k • ( 4itk v
В функциональных зависимостях (3) и (4) определенные сложности может вызывать расчет коэффициента турбулентной диффузии в системе «воздух- загрязнитель», зависящего от метеоусловий (температуры воздуха, скорости ветра, наличия или отсутствия осадков). Он не является справочным и не может быть измерен.
-
1. Источник функционирует практически непрерывно.
-
2. Примесь однородна при отсутствии её потерь.
-
3. Коэффициенты тензорной матрицы совпадают с главными осями системы координат.
-
4. Концентрация примеси в выбросе падает по экспоненте.
-
5. Имеется только турбулентная диффузия, а молекулярная пренебрежимо мала.
При этом стационарное решение уравнения в случае атмосферных осадков будет иметь вид [2]:
^x2+y2+(z-H)2
e -2k^(x2+y2+(z-H^2)‘(t,X+4k^)
+
1 e —k^(x2+y2+(z+H)2,(t’X+4'kA) A MA
^x2+y2+(z+H)2
Среди экспериментальных методов расчета данного коэффициента наиболее точным и охватывающим широкий спектр химических веществ является метод Бир-да-Гиршфельдера-Куртисса. Коэффициента турбулентной диффузии для двух неполярных газов здесь определяется из выражения [3]:
к =
0,002628
2 -П(1,1) * Р о1,2 “ 1,2
I Т3(М1 + М2)
2М1М2 , где k – коэффициент диффузии, м2/с; p – давление, атм.; T – температура, K; M1, M2 – молекулярные массы газов 1 и 2; σ1,2 – постоянная сил, найденная по формуле Леннарда-Джонса, Å; – функция, значение которой берётся по справочной таблице; ε1,2 и σ1,2 – постоянные сил, Å, которая определяются по формулам Леннарда-Джонса:
_ 0-1+ 0-2 0 1,2 = ? ,
^ 1,2 = 7^ 1 • ^ 2 ,
где σ 1 , σ 2 , ε 1 , ε 2 – постоянные в уравнении Леннарда-Джонса.
Коэффициенты турбулентной диффузии для системы «воздух-загрязнитель» представлены в таблице 2.
Таблица 2. Коэффициенты турбулентной диффузии в системе «воздух- загрязнитель»
при различной температуре воздуха (метод Бирда-Гиршфельдера-Куртисса)
Загрязнитель |
К 1 , 2 (T = 258 K), •IO 4, м2/с |
К 1 , 2 (T = 273 K), •IO 4, м2/с |
К 1 , 2 (T = 288 K), •IO4, м2/с |
CO |
0,158 |
0,174 |
0,192 |
CO2 |
0,116 |
0,128 |
0,142 |
NO |
0,158 |
0,174 |
0,193 |
SO2 |
0,096 |
0,106 |
0,118 |
CH4 |
0,164 |
0,184 |
0,202 |
Используя показатели работы предприятия, розу ветров, информацию по концентрациям загрязнителей, построены поля рассеивания вредных примесей от промышленного предприятия ООО «Коронкер», расположенного на территории с наибольшим количеством заявлений граждан на загрязнение атмосферы. Унифицированная программа расчета за- грязнения атмосферы УПРЗА «ЭКОцентр – Стандарт» позволяет учитывать вышеперечисленные факторы влияния на рассеивание примесей [4].
Результаты расчетов распространения NO2 при неблагоприятных метеоусловиях с учетом фонового загрязнения представлены в виде полей рассеивания на рисунке 2.

Рис. 2. Распространение NO 2 над территорией города при неблагоприятных погодных условиях (скорость ветра = 0,5 м/с, осадков – нет)

Рис. 3. Распространение HNO 3 над территорией города при неблагоприятных погодных условиях (скорость ветра = 0,5 м/с, осадков – нет)
Поля рассеивания концентрации загрязнителя учитывают характеристику предприятия: круглосуточный режим работы, количество труб (1 шт.), высоту трубы (H = 100 м), количество цехов (1 шт). Также программа позволяет учесть температуру выхода газоводущной смеси (Твых = 70 °С), внешнюю температуру окружающей среды (Tос = 70 °С), максимальную скорость ветра (v = 0,5 м/с), коэффициент, отвеча- ющий за рельеф местности (ȵ = 1), преобладающую розу ветров в городе и т.д.
Концентрация загрязнителя при отсутствии ветра и осадков, иными словами, при неблагоприятных условиях не превышает максимально разовые по нормативу (ПДК м.р. (NO 2 ) = 0,3 мг/м3).
Возможность химической реакции с образованием вторичного загрязнителя HNO 3 оценивается значением энергии Гиббса, определяемой из уравнения [5]:
AG = AH
-TAS,
где ΔH – энтальпия, кДж/моль;
ΔS – энтропия, Дж/(моль∙К);
T – абсолютная температура, К.
Зависимость (4) справедлива только для температуры воздуха 298 К.
AGf = AHr298 - T • ASr ,298 - T(AaM 0 + AbM 1 + AcM 2 )
Члены уравнения Δa, Δb, Δc, M 0 , M 1 , M 2 при соответствующих температурах приводятся из справочных таблиц, которые не зависят о природы веществ, а зависят только от температуры.
Режим и основные параметры функционирования предприятия описаны к рис. 2. Расчет значения среднесуточной концентрации HNO3 находится из уравнения хи- мической реакции NO2 +H2O → HNO3 и принимается равной 2,472∙10-4.
Расчеты показывают, что превышение этого загрязнителя могут быть лишь незначительными, не выходя за границу предельно-допустимых. В то же время, эти расчеты наводят на мысль о том, что необходимо периодически строить поля рассе- ивания различных загрязнений и следить за их поведением в атмосфере [5].
Результаты расчетов свидетельствуют о незначительном загрязнении воздушного бассейна города, что соответствует общей статистике территориального органа Роспотребнадзора г. Зеленограде. Заявления граждан на определенный дискомфорт, вышениям ПДКзв., зафиксированным системой мониторинга и приведенным в таблице 1.
Взаимодействие химических соединений в реальности может повлечь появление и вторичного загрязнителя HNO 3 , но в условиях города, его концентрация будет незначительна.
следует, очевидно, отнести к редким пре-
Список литературы Экомониторинг воздушной среды города Зеленограда
- Кольцова, О. В. Физико-химическое моделирование превращений ингредиентов воздушной среды в системе мониторинга на примере г. Зеленограда: специальность 05.11.13 "Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий": диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Кольцова Ольга Владимировна. - Москва, 2012. - 147 с.
- Кольцова, О. В. Физико-химическое моделирование превращений ингредиентов воздушной среды в системе мониторинга на примере г. Зеленограда: специальность 05.11.13 "Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий": автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Кольцова Ольга Владимировна. - Москва, 2012. - 26 с.
- Термодинамические реакции вторичных химических превращений при мониторинге воздушной среды города Зеленограда - центра Отечественной микроэлектроники / В. Б. Кольцов, Н. М. Ларионов, О. В. Кольцова, Е. И. Гуляева // Природообустройство. - 2014. - № 1. - С. 9-13.
- Кольцов, В. Б. Процессы и аппараты защиты окружающей среды: Учебник и практикум / В. Б. Кольцов, О. В. Кольцова. - 1-е изд. - Москва: Общество с ограниченной ответственностью "Издательство ЮРАЙТ", 2014. - 588 с. - (Бакалавр. Академический курс). -.
- ISBN: 978-5-9916-3548-6 EDN: TYPCHH
- Физико-химическое моделирование превращений ингредиентов воздушной среды в промышленных городах / В. Б. Кольцов, Н. М. Ларионов, О. В. Кольцова, Е. И. Гуляева // Известия высших учебных заведений. Электроника. - 2014. - № 1 (105). - С. 19-26.