Воздействие физического состояния атмосферы на чрезвычайное загрязнение воздуха транспортом и промышленностью в Санкт-Петербурге

В соответствии с действующим в РФ законодательством, указанным в работе [1], контроль загрязнения воздушной среды в Санкт-Петербурге объектами транспорта и энергетики [2, 3], аналогично зарубежной практике, производится инструментальными и расчетными методами [4, 5, 6]. Эмиссия полютантов автотранспортом определяется его количеством (табл. 1) техническим состоянием и характером движения по улично-дорожной городской сети [7, 8].

Данные табл. 1 позволяют сделать вывод о том, что уже к 2012 году наметилась тенденция «насыщения» эксплуатируемого парка транспортных средств в Санкт-Петербурге, которая к 2024 году характеризовалась незначительными колебаниями его численности. В табл. 2 приводятся данные изменения эмиссии в атмосферу, актуальных для Санкт-Петербурга, загрязняющих

EDN PZLTKU веществ (ЗВ), содержащихся в отработавших газах двигателей автотранспортных средств за тот же временной период 2012–2023 гг. Выбросы поллютантов оценивались по новой версии Методики Росприроднадзора (Распоряжение № 37-р от

01.11. 2013 г.), адаптированной к структуре и техническому состоянию эксплуатируемого парка транспорта.

Таблица 1 - Изменение численности АТС в Санкт-Петербурге за период 2012-2023 гг. [1]

Годы	Легковые автомобили	Грузовые автомобили	Автобусы	Всего
2012	1537473	201033	22449	1760955
2013	1741267	220067	21513	1982847
2014	1636336	213123	19838	1869297
2015	1638183	217738	20221	1876142
2016	1676379	214003	19659	1910041
2017	1710811	223662	29798	1964271
2018	1724410	226975	20948	1972333
2019	1744133	229764	21061	1994958
2020	1771034	231735	20951	2023720
2021	1800214	236683	20709	2057606
2022	1789182	238771	20599	2048552
2023	1789510	242466	21 357	2053333

Таблица 2 - Выброс ЗВ транспортом Санкт-Петербурга (2012-2023), тыс. т.

Годы	Всего	Твердые вещества (сажа)	SO:	СО	NOx	СНд	МЬ	лос
2012	419.3	0.7	2,0	338.2	35.3	1.8	0,7	40.6
2013	464,3	0,8	2,2	374,4	.38,9	2,0	0.8	45,1
2014	111.8	0.8	2,1	356.2	37.2	1.9	0.8	42.8
2015	116 7	0.8	2,2	360 I	37,7	1.9	0.8	13.2
2016	447.8	0.8	2,1	361,1	37.6	1,9	0.8	43,5
2017	470.8	0.9	2,3	379.8	39.6	2.0	0.8	45.5
2018	467.8	0.9	2,2	377,2	39.4	2,0	0,8	45,3
2019	134.0	0,6	1,2	106.7	17,3	0,2	2,3	5,8
2020	1 7 | ,0	0.6	1.2	104.2	16.9	0.2	2.3	5.6
2021	128.9	0.5	1,2	102,4	16,7	0,2	2,3	5,5
2022	132.8	0.5	1,2	105,5	17.0	0.3	2.3	6.0
2023	140.6	0,6	1,2	112.3	17.6	0.2	2.3	6,4

Анализируя сведения табл. 2, можно отметить положительно что, в новейшей истории, в Санкт-Петербурге наблюдалось существенное уменьшение выброса с ОГ транспортных средств ЛОС (с 46,6 до 6,4 тыс. т., более, чем в 7 раз), СН4 (с 1,8 до 0,2 тыс. т., в 9 раз), СО (с 338,2 до 112,3 тыс. т. т., более, чем в 3 раза), NOX (с 38,9 до 16,7 тыс. т., более, чем в 2 раза), SO2 (с 2,2 до 1,2 тыс. т., почти, в 2 раза). Беспрецедентный успех в природоохранной работе на транспорте, очевидно [9, 10], связан с внедрением технологий каталитической конверсии ОГ и использования дизельного топлива со сверхмалым содержанием S2. Относительно слабое изменение эмиссии в воздушную среду PM объясняется незначительной долей в грузовом парке дизельных двигателей с регенерируемыми фильтрами сажи. Рост выброса с ОГ NH3 (с 2,3 до 0,7 тыс. т., более трех раз) связан с экологическими «издержками» внедрения технологии селективного каталитического восстановления N2 из NOX при помощи технической мочевины [11].

В табл. 3. приведены сведения по выбросам поллютантов с отходящими газами городских теплоцентралей (ТЭЦ) в период с 2012 по 2023 гг.

Как видно (табл. 3) от ТЭЦ выбросы ЗВ изменялись незначительно:

68, 9 тыс. т. – в 2012 году;

83,9 тыс. т. – в 2018 году;

66,7 тыс. т. – в 2023 году.

Авторы работы [1] обратили внимание на существенность зависимости качества атмосфер- ного воздуха на уровне дыхания горожан от физического (синоптико-метеорологического – климатического состояния атмосферы в регионе). Данному вопросу посвящено настоящее исследование.

Таблица 3 – Выбросы ЗВ от ТЭЦ (2012–2023), тыс. т (* ⁾ сумма твердых, жидких и газообразных ЗВ; ** ⁾ сумма углеводородов, исключая ЛОС)

Годы	Всего*	Твердые вещества	SO:	СО	NO,	СН,*“	лос
2012	68.9	1.9	5.6	19.1	27.7	8.8	4.7
2013	72.3	1.9	3.2	22.4	27.6	8.6	8.3
2014	70.5	2.1	2.6	21.1	24,5	15.0	5.0
2015	73,2	22	2.2	19.1	23,0	20.4	5.9
2016	78.3	2.3	2.5	21.6	25.6	20.8	5.1
2017	87,3	32	2.5	26.8	26,4	22,4	5.5
2018	83.9	4.4	2.0	27,3	26,2	18.7	4.8
2019	66,9	2.6	2.0	28,8	25.7	2,0	5.5
2020	67.0	3.0	2.3	27.7	25,1	1.9	6.6
2021	72.2	3,3	2.2	30,0	28,4	1.8	6.0
2022	70,3	3,2	2.3	29,6	27.4	1.9	5.5
2023	66.7	3.6	1.8	30.0	23,2	2.1	5.8

Исходная информация, методика и результаты исследования

Автоматическая система мониторинга качества атмосферного воздуха (АСМ) «Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности» Санкт-Петербурга (далее по тексту «Комитет» [1]) предоставляет заинтересованным организациям, специалистам и горожанам информацию о концентрациях SO 2 , CO, NO, NO 2 , O 3 и иных поллютантов и «парниковых газов» в приземном воздушном слое, измеряемых каждые 20 минут в реально текущем времени (рис. 1).

Методика прогноза чрезвычайного загрязнения воздуха в регионе Санкт-Петербурга на мезо уровне разработана ранее с участием автора (грант РФФИ № 14-01-00733А). Она построена на логических аппроксимациях распределения концентраций ЗВ, получаемого всеми станциями и постами сети УГМС (рис. 1), с помощью математической модели робастной нейросети (в современных терминологии, – «искусственного интеллекта») по закону Гаусса [12].

Распространение в атмосфере ЗВ по Гауссу учитывает нормальный закон распределения для случайной величины:

Санкт-Петербург

•ю

22*

• 24

*7

— 14

22 12

Год

АО»и

26’ --I '

Январь

9.4

*8 Д2

Условные обозначения

Главные улицы и мт нет рол и Посты corn УГМС

Станнин непрерывных наблюдений

115 6

32 Июль

•” 412

Рисунок 1 - Схемы расположения постов «СевероЗападного УГМС» и роза ветров

Q^expl--I- q(t, х, у, z) =-------------

(x-x ' -Ut)²   (y-y ' -Vt)²   (z-z ' -Wt)²

⁽ ^ x )²t           (^ y )²t            ⁽ ° z )²t

(42nt)3oxoyoz

))

,

где х',у',z'- «привязка» источника эмиссии ЗВ (u,v,w) - «разложение» по координатным осям по координатным осям; Q - поток эмиссии («мощ- напора ветра;

ность») во времени;

O_x, O y , O_z - средние импульсы «квадратичного» отклонения концентраций ЗВ для конкретного момента времени t по осям OX, OY, 0Z:

° x - ^'K , (z')dz, ° у = 2 ^f o ^K y ^(z)dz ,

02 =^Kz(z)dz , где   h - высота приземного слоя распростране ния примеси ЗВ в атмосфере.

В согласии с приемом «суперпозиции», осуществляем преобразование выражения (2) в его разрешении для концентрации ЗВ:

q(t,x,y,z~) = fo

if(x-ut—‘)2 (y-vt-y’Ytz-wt-z^ ^{Q P} ( 2⁽   («x) ^{2   +}   ( _a y²t   ⁺   («z) ²  ))

(■J2nt)³a_xa y a z

dx ' dy ' dz '

(3),

Интеграл уравнения (3) решается для об- городского района. Трудоёмкость счета инте-

ласти О, охватывающей территорию конкретного грала (3) аналитико-численными способами со-

кращаем путем его представления конечной суммой в форме кубатурных выражений:

N

q(t, х, у, z; и, V,

w)=E

Q ехр

i=i

C i

1   (x-ut-X i ) ^

2 у (^ x )²t

(y-vt-y t l

(°y)2t

(^^^t)³ O_xO y O_z

'²  ,  (Z-Wt—Z i )²

(° z ) ² t ) I

---------------------,    (4)

где C i - значения числовых констант, (X i , y i , z i ) - «привязка» узлов интегрирования к декартовым осям, i = 1,2,..., N.

Несложно заметить, что выражение (4) для q представляет искусственную нейросеть в ее формализации с помощью радиальной базисной функции «гауссиана» [12]. Подбор весов нейросети (4), линейно/нелинейно входящих в нее переменных C i и (X i ,y i ,z { ) выполняем, так называемым, способом

пониженного давления над холодной водной по-

минимизации «функционала ошибки» [12]:

ур   q(t,Xj,yj,zj;u,V,w}-2

¹¹       q j (t;u,v,w}      ^.

Здесь {(Xj,yj,zj')}   - некоторое множе ство «привязок» к декартовым осям в области О, для которой, предполагаем, известны значения содержания примеси ЗВ {qj}^_ г, установленных АСМ (рис. 1).

На рис. 2 а), рис. 3 а) и рис. 4 а) показаны, рассчитанные по модели (1) – (5), качественные «картины» загрязнения городской атмосферы в относительных безразмерных единицах, соответственно, NO 2 , PM 10 , NO для разных физических состояний атмосферы в приземном слое воздуха,

регистрируемых визуально с помощью, соответствующих им, фотографиями «характера» истечения дымовых газов из трубы Южной ТЭЦ, сделанных автором:

Рис. 2 б), – ранние утренние часы. Заметна на фотографии, явно выраженная, температурная приземная инверсия на высотах 50-100 м при

верхностью Финского залива (смотри рис. 1) с эпицентром концентрационного максимума NO 2 в точке с координатами 59°53' с. ш. и 30°06' в. д.;

Рисунок 2 – 3D визуальная качественная модель загрязнения воздуха NO2 (а) и фото истечения дымовых газов из трубы Южной ТЭЦ в утренние часы (б)

условиях «штиля», которая «прижимает» дымовые газы к поверхности Земли, способствуя непрерывному накоплению опасных ЗВ на уровне дыхания человека. Для такого физического состояния атмосферы, как можно заметить из рис. 2 а), ЗВ с территории города «перетекают» в область

Рис. 3 б) – синоптическая «картина» распределения барического давления в регионе Санкт-Петербурга в день исследований (не приводится по причине громоздкости) соответствовала положению города «на стыке» взаимодействия циклона и антициклона, что всегда сопровождается неустойчивостью физики атмосферы в течение суток. В этой связи, вместе с появлением слабого ветра с юго-запада и его непрерывного усиления, как видим (рис. 3 а)) происходит вытеснение ЗВ, в частности PM 10 , с области Финского залива в восточном направлении и накопление ЗВ в области Центрального района с экстремальным уровнем загрязнения PM 10 в точке с координатами 59°55' с. ш. и 30°20' в. д.;

Рисунок 3 – 3D визуальная качественная модель загрязнения воздуха PM10, (а) и фото истечения дымовых газов из трубы Южной ТЭЦ в дневные часы (б)

Рис. 4 б) – во второй половине дня и к вечерним часам наблюдалось усиление ветра с изменением его направления на северо-восток. Обработка по модели массива, измеренных АСМ, концентраций NO (рис. 4, а) показала, что, вместе с продолжением накапливания ЗВ в Центральном районе, стал наблюдаться интенсивный их перенос в Выборгский район и, далее, в район Шува-лово-Озерки, с экстремумом концентрации NO, соответствующем координатам 59°55' с. ш. и 30°20' в. д.

Рисунок 4 – Диаграмма загрязнения воздуха NO при усилении ветра с юго-запада

Выводы

• 1.    Разработанная авторская методология контроля чрезвычайно опасных загрязнений воздушной среды поллютантами автотранспорта и промышленности городов (на примере Санкт-Петербурга) позволяет получать целостную «картину» динамики миграции и накопления ЗВ в приземном воздушном слое на мезо-уровне в границах всей исследуемой агломерации.

• 2.    Она позволяет получать в динамике совокупный результат суммации множества локализированных процессов эмиссии в городскую воздушную среду ЗВ от передвижных (транспорт) и

• стационарных источников (теплоцентрали) и дает основание для вычленения и исследования загрязнения атмосферы на детализированном уровне: отдельные участки улиц, дорожных пересечений, мест одновременной эксплуатации автомобилей, водного транспорта и т.п. (представлены в работах автора [2, 3, 7, 10]).

• 3.    Разработанная оригинальная методика мониторинга экстремального загрязнения городской воздушной среды, на примере региона Санкт-Петербурга, нашла применение в соответствующих целевых научных региональных анализах [1], способствует своевременному выявлению, подобных исследованным в статье ЧС, в целях оперативного и эффективного на них реагирования подразделениями МЧС России.