Мониторинг аэрозольного загрязнения снежного покрова на основе наземной и спутниковой информации

г. Искитим [11]. Город находится в юго-восточной части Новосибирской области в 55 км от областного центра – г. Новосибирска. С севера и востока к промплощадке предприятия примыкает р. Бердь. Основными источниками выброса неорганической пыли в атмосферу являются две близко расположенные 80-метровые трубы с диаметрами 6 м.

Объектами исследования служили выбросы взвешенных веществ от стационарных источников ОАО «Искитимцемент», снежный покров на территории г. Искитим и за его пределами. Материалами исследований являлись отчёты ОАО «Искитимцемент» о выбросах в атмосферу загрязняющих веществ стационарными источниками в период 2012–2013 гг., результаты визуальных и спутниковых наблюдений и физико-химического анализа состава проб снеговой воды.

Маршруты отбора проб располагались по восьми румбам относительно основных источников выброса неорганической пыли. Точки наблюдений находились в пределах расстояний от 0,4 до 3 км. Отбор проб был произведён более чем в 40 точках. Это позволило провести детальный численный анализ процессов выпадений пыли от основных источников предприятия, установить количественные закономерности содержания осадка в снеге на различных направлениях выноса. На рис. 1 представлена схема отбора проб снега, расположение основных источников и метеостанции г. Искитима.

Рис. 1. Схема отбора проб снега:

– основной источник выброса пыли;

– положение метеостанции

г. Искитима

Таблица 1. Повторяемость направлений ветра на метеорологической станции г. Искитим в зимние периоды времени

Направление ветра	С	СЗ	З	ЮЗ	Ю	ЮВ	В	СВ	штиль
Повторяемость ветра в зимнем сезоне 2012/13 г., %	1	5	16	30	29	7	2	1	9
Повторяемость ветра с 30.01.14 по 7.02.14, %	0	3	14	62	10	0	0	2	9

Предварительный анализ данных измерений показал сильное защелачивание снеготалых вод. В пределах до 1,5 км от основных источников выбросов величина рН варьировалась от 9 до 12 ед. Преобладающие выпадения пыли произошли в северо-западном, северном и северовосточном направлениях от цементного завода.

Для проведения оценок распространения пылевого загрязнения снежного покрова в окрестностях цементного завода полезно использовать информацию о повторяемости направлений ветра в различные периоды времени. В табл. 1 приведены данные метеостанции о повторяемости направлений ветра за зимний сезон 2012/13 г. и за период времени с 30 января по 7 февраля 2014 г.

Промежутки времени, когда отсутствуют снегопады, удобны для анализа спутниковых наблюдений. С 30 января по 7 февраля 2014 г. метеостанция зафиксировала отсутствие выпадений снега. При этом в более 80 % случаев преобладали слабые ветры (1–2 м/c). Штилевые условия наблюдались в 9 % случаев.

Модель реконструкции

При расчете средней концентрации в приземном слое атмосферы определяющее значение имеют часто встречающиеся метеорологические условия. К ним относятся так называемые нормальные метеоусловия, для которых используется степенная аппроксимация скорости ветра и коэффициента вертикального турбулентного обмена [3]. В этом случае использование асимптотик полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии и статистических свойств распределения скорости ветра и вертикального турбулентного обмена в приземном слое атмосферы позволяет выразить плотность выпадений полидисперсной примеси за длительный промежуток времени в виде следующей регрессионной зависимости [12, 13]:

z , 61       .J8AO. z С ,7ю—82 exp(_63ю)Гc7“ ,

q(r.Ф) = -тт^(Ф +180 )®Ф(—)J---- v     -|~l dю ,(1)

Г1 ■ 5                    Г 0    Г (1 + ю)V где r, ф - полярные координаты; P(ф) - приземная роза ветров; Г(m) - гамма-функция Эйлера; с определяется высотой источника; параметры 9], 92, 93 неотрицательны.

Исследование свойств функции (1) показывает, что она в интервале значений r е (0,да) достигает максимума в некоторой точке r0, монотонно возрастает при r е (0, r0), соответственно монотонно убывает в интервале значений r е (r0, да) и стремится к нулю при r ^ 0, r ^ да. Оценка неизвестных параметров 91, 92, 93, входящих в соотношение (1), проводится методом – 953 – наименьших квадратов с использованием данных измерений плотности выпадений взвешенных веществ в точках местности. Следует также отметить, что величина 1,5 ∙ c соответствует величине расстояния, на котором достигается максимальная приземная концентрация слабо-оседающей примеси [3].

Замечание 1. Параметры θ₂, θ₃ зависят от характеристик дисперсного состава аэрозольной примеси и метеорологических условий. Данное обстоятельство позволяет существенно снизить количество опорных точек измерений при проведении оценивания выпадений примеси по другим радиальным относительно источника направлениям. В этом случае достаточно лишь провести переоценку параметра θ₁, который, согласно [12], пропорционален мощности источника и изменение которого зависит от временного интервала повторяемости ветра в заданном направлении.

Результаты

В табл. 2 приведены результаты экспериментальных исследований выпадений взвешенных веществ в окрестностях цементного завода. Совместный анализ рис. 1 и данных табл. 2 показывает, что по всем исследованным направлениям выноса с увеличением расстояния от источника происходит монотонное убывание выпадений пыли.

На основе модели (1) проведена численная реконструкция поля выпадений. Показано существование устойчивых количественных закономерностей содержания пыли в снежном покрове по радиальным относительно основного источника направлениям. Восстановлено сум-

Таблица 2. Выпадения пыли (г/м2) в окрестностях Искитимского цементного завода в зимнем сезоне 2012/13 г.

Номер точки 1 2 3 4 5 6 7 10 Расстояние от источника, км 0.56 0.73 1.03 1.39 1.76 2.18 2.75 0.69 Плотность выпадений пыли, г/м2 604.2 214.4 133.9 46.8 20.0 9.6 7.4 143.6 Номер точки 11 12 13 14 15 17 18 19 Расстояние от источника, км 0.92 1.2 1.62 0.46 0.66 1.6 0.58 0.79 Плотность выпадений пыли, г/м2 58.7 34.1 14.1 103.4 54.1 15.9 76.6 49.4 Номер точки 20 21 22 23 24 25 26 27 Расстояние от источника, км 1.04 1.89 2.66 0.48 0.78 1.12 1.49 2.41 Плотность выпадений пыли, г/м2 32.6 17.3 10.2 51.9 9.3 7.7 10.6 0.7 Номер точки 28 29 30 31 32 33 34 35 Расстояние от источника, км 0.76 0.97 1.28 1.97 2.23 2.57 0.99 1.34 Плотность выпадений пыли, г/м2 521.0 408.6 162.7 74.4 63.3 35.7 22.7 23.2 Номер точки 36 37 38 39 50 Расстояние от источника, км 2.09 1.2 0.83 1.05 0.81 Плотность выпадений пыли, г/м2 48.7 20.2 114.1 32.5 242.4 марное поле выпадений пыли и проведена оценка выбросов в атмосферу в рассматриваемом зимнем сезоне. Результаты численного моделирования представлены на рис. 2.

Оценивание параметров регрессии (1) проводилось по данным измерений твёрдого осадка примеси в снеге в точках северо-восточного направления с номерами 10, 11, 12. Было рассмотрено два варианта восстановления поля выпадений. В первом варианте использовались в соответствии с замечанием 1 данные измерений выпадений примеси на всех маршрутах пробоотбора. Во втором варианте была использована информация о зимней розе ветров и результаты оценивания параметров θ 1 , θ 2 , θ 3 .

На рис. 3 приведено сопоставление в точках отбора проб снега данных экспериментальных исследований с результатами восстановления по модели (1) плотности аэрозольных выпадений примесей. Анализ рис. 3 показывает, что результаты расчетов по первому варианту вполне

Рис. 2. Восстановленные на основе модели (1) поля плотности выпадений пыли (г/м2) по данным маршрутной снегосъёмки (а) и с использованием зимней розы ветров (б)

1 2 514 5 6 7 ' 10 11 12 13 14 15 17 18 19 го 21 22 25I24 2526!27 28 29 51)3132 513 34 35 36 37 36 3В 50

Номера точек отб■оря проб

Рис. 3. Измеренные (■) и восстановленные на основе зависимости (1) выпадения пыли (г/м2) в точках отбора проб снега: (■) – расчёт с использованием данных наблюдений со всех маршрутов отбора проб; (■) – расчёт с использованием наблюдений в северо-восточном направлении и зимней розы ветров 2012/13 г.

Рис. 4. Спутниковый снимок окрестностей Искитимского цементного завода от 7 февраля 2014 г. В левом нижнем углу – интенсивность изменения оттенков серого цвета в северо-западном направлении (направление I) от основных источников пылевых выбросов удовлетворительно согласуются с данными наблюдений, в расчетах же по второму варианту расхождения весьма значительны.

Привлечение спутниковых наблюдений позволяет визуализировать пространственную картину поля выпадения пыли на снежный покров. На рис. 4 представлен снимок окрестностей Искитимского цементного завода с ИСЗ «Landsat-8» за 7 февраля 2014 г., взятый с сайта Сибирского центра ФГБУ «Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии «ПЛАНЕТА» ( http://www.rcpod.ru ).

На снимке отчетливо видна область интенсивного загрязнения снежного покрова в северо-западном направлении от источника. Метеорологическая станция, расположенная на расстоянии около 2 км от промышленной площадки предприятия, не фиксировала интенсивного выпадения снега в период с 30 января по 7 февраля 2014 г. Следовательно, основной шлейф загрязнения, видимый на космическом снимке, сформировался за этот период времени. Из табл. 1 следует, что в данный промежуток времени доминировали ветры западного (14 %), юго-западного (62 %) и южного (10 %) направлений.

На рис. 4 явно прослеживается северо-западная ориентация пылевого выноса. Интенсивность изменения яркостных характеристик снежного покрова в этом направлении монотонно уменьшается с увеличением расстояния от источника загрязнения, что подтверждается также результатами наземного мониторинга.

Обсуждение результатов

Из анализа данных экспериментальных исследований и результатов моделирования, приведённых на рис. 2а и в табл. 1, следует, что основные выпадения пыли от высотных труб Иски-– 956 – тимского цементного завода произошли в направлении на северо-запад, вдоль долины р. Бердь. Исходя же из режима ветра, основные выносы пыли согласно рис. 2б следовало бы ожидать в северо-восточном направлении.

С другой стороны, спутниковые снимки загрязнения снежного покрова также подтверждают, что основные выпадения пыли наблюдаются в северо-западном направлении, хотя измерения на метеостанции г. Искитима фиксируют преобладание юго-западных и южных ветров. Возникшее противоречие объясняется орографическими особенностями местности, наличием возвышенных форм рельефа в правобережье р. Бердь и часто наблюдаемой устойчивой температурной стратификацией в нижней атмосфере. Конфигурация рельефа в данном случае оказывает заметное влияние на процессы распространения газовых и аэрозольных примесей в приземном слое атмосферы.

Отметим, что в условиях сложного рельефа данные измерений с близлежащей метеостанции могут не отражать реальное поле ветра в районе источника выбросов. Поэтому формальное использование общепринятой методики расчета полей концентраций примесей [14] может привести к ошибочным результатам и выводам. В связи с этим вытекает необходимость проведения также и мониторинговых исследований процессов техногенного загрязнения территорий.

Заключение

При традиционном подходе последовательные спутниковые снимки в период интенсивного снеготаяния позволяют выявить зоны загрязнений от промышленных предприятий за зимний сезон [7, 9]. Такой подход существенно ограничивает возможности использования космической информации, получаемой в течение всего зимнего периода. На наш взгляд, для более полного применения космической информации целесообразно привлекать данные о текущих метеорологических условиях. Тогда в периоды отсутствия снегопадов можно оценивать зоны промежуточного техногенного загрязнения. В частности, на территориях, находящихся под влиянием сибирского антициклона, в зимнее время при отсутствии облачности с помощью спутниковых снимков можно отслеживать ореолы загрязнений, формирующихся в периоды времени от нескольких дней до нескольких недель в окрестностях промышленных предприятий.