Способ формирования сети наблюдений для контроля загрязнения атмосферы города

 

Использование: в гидрометеорологии при формировании структуры размещения автоматических постов контроля (АПК) воздушного бассейна города. Сущность изобретения: при определении мест установки АПК используют обобщенный функционал, представляющий собой произведение максимальной разовой концентрации на плотность населения в месте установки АПК. Максимизация этого функционала обеспечивает установку сети АПК при нормативных ограничениях в густозаселенных зонах с неблагоприятной экологической обстановкой. 1 ил.

Изобретение относится к гидрометеорологии и может быть использовано при формировании рациональной пространственной структуры размещения автоматических станций контроля загрязнения воздушного бассейна, входящей в качестве составной части в систему экологического мониторинга на территории города.

Важнейшим направлением работ в области мониторинга загрязнения атмосферы является автоматизация измерений приоритетных компонентов загрязнителей, т. к. автоматизированная система наблюдений резко повышает оперативность информации.

В плане создания названной системы особое место занимает выбор местоположения автоматических постов контроля (АПК). Удачный выбор АПК будет способствовать эффективному решению поставленных перед системой экологического мониторинга задач: сбор и представление в удобной форме репрезентативной (т.е. дающей достаточно объективную картину) информации о состоянии загрязнения воздуха различными вредными веществами; выявление и предупреждение опасных экологических ситуаций; прогнозирование опасных экологических ситуаций в атмосфере города; определение вероятных виновников опасного загрязнения атмосферы города.

Формирование сети АПК для решения каждой из названных задач является достаточно трудоемкой задачей, усугубляемой рядом ограничений: ограниченность общего количества АПК; наличие запретных зон.

К последнему относятся возможные ограничения со стороны различных городских служб (архитектурная, пожарная и т.д.), а также водоемы, продуктопроводы и др. находящиеся в черте города.

Кроме этого, развиваемые в последние годы комплексные показатели оценки воздействия загрязняющей среды на человека требуют информации об уровне загрязнения воздуха, характерного для данного района города, с учетом распределения плотности населения.

Известен зонально-функциональный принцип размещения на территории города автоматических станций контроля загрязнения атмосферы (АСКЗА), который делает возможным при использовании определенного количества стационарных пунктов дать достаточно объективную оценку уровня и динамики загрязнения атмосферы города, связи повышения концентраций основных ингредиентов (сернистый газ, окись углерода, окислы азота, пыль) от высоких и низких источников загрязнения (см. например, В.М.Артемов, Д.П.Парцеф "Построение сети станций автоматизированной системы контроля загрязнения атмосферы г. Москвы", М.1979 г. Гидрометеоиздат).

Применение этого принципа возможно лишь при достаточно большом количестве станций, как минимум по одной на каждую из зон города (промышленная, зеленая, магистральная, жилая, центр города и др.).

Но в условиях большого индустриального города, каковым является Челябинск, каждой из названных зон может быть несколько и при этом уровни загрязнения в них могут разниться достаточно существенно. Кроме этого, контроль в промышленных зонах может оказаться неэффективным по ряду причин, например трудности экстраполяции выявленного загрязнения на загрязнение в селитебной зоне.

Известен принцип определения необходимого количества постов наблюдений и размещения их на территории города, согласно которому посты необходимо устанавливать в первую очередь в тех жилых районах, где возможны наибольшие средние уровни загрязнения атмосферы. К числу наиболее загрязненных относятся зоны наибольших максимальных разовых концентраций, создаваемые выбросами промышленных предприятий.

Число стационарных постов определяется в зависимости от численности населения в городе, площади населенного пункта, степени индустриализации, рельефа местности и др. Для города с населением с выше 1 млн. жителей рекомендуется 10-20 постов (см. например, "Руководство по контролю загрязнения атмосферы РД 52.04.186-89", М. 1991 г. Гидрометеоиздат).

Количество постов может быть увеличено при наличии большого количества источников загрязнения.

Для выявления максимальных концентраций примесей рекомендуется пункты наблюдения размещать с подветренной по направлению господствующего ветра стороны на расстоянии от центра расположения труб основных источников выброса, равным примерно 20 средним высотам труб H (в пределах 10-40 H).

При этом в случае ровной местности можно ограничиться одним стационарным пунктом на площади 10-15 км²(см. например, М.Е.Берлянд "Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы".) Таким образом, в технических решениях даны лишь общее рекомендации по местам размещения пунктов контроля.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и выбранным в качестве прототипа является способ оптимизации пространственной структуры сети наблюдений при контроле загрязнения атмосферы города.

Согласно этому способу существуют два подхода к решению проблемы выбора структуры сети.

Первый подход основан на том, чтобы по данным, полученным на сети контроля, было возможно воспроизводить поле концентраций примесей, максимально приближенное к реальному.

Проектирование такой сети заключается в исследовании пространственной статистической структуры поля концентраций примесей и выборе такого множества точек в городе, чтобы дисперсия ошибки оптимальной интерполяции данных по этим точкам в другие точки города оказалась минимальной.

Другой подход основан на том, чтобы по данным, полученным на сети контроля, можно было оценить вклад отдельных источников в общее поле загрязнения атмосферы (см. В. И. Краснов и др. "Оптимизация пространственной структуры наблюдений при контроле загрязнения атмосферы города", в трудах ГТО им. Воейкова "Методы и средства контроля загрязнений атмосферы и промышленных выбросов", Л. Гидрометеоиздат, 1987 г.).

Известные методы решают только какую-то одну из вышеперечисленных задач, а получаемые при этом структуры сети АПК, как правило, не совпадают.

Кроме того, ни один из рассмотренных методов при выборе точек контроля не учитывает распределения населения в селитебной зоне.

В этом и состоит недостаток способа-прототипа.

Целью настоящего изобретения является формирование сети наблюдений, контролирующей жилые зоны с высокой плотностью населения и высокой степенью загрязнения атмосферы при одновременном получении репрезентативной информации при повышении уровня концентраций загрязнителей атмосферы с выявлением виновников экстремального загрязнения.

Поставленная цель достигается тем, что предложены: способ формирования сети наблюдений для контроля загрязнения атмосферы города, включающий установку автоматических постов контроля (АПК) воздушного бассейна в количестве и местах, регламентируемых нормативными документами, в котором для каждого из заранее заданных жилых районов города определяют места установки АПК, которые находят расчетным путем как наиболее неблагополучные зоны по воздействию на население загрязнения воздушной среды, при этом центр неблагополучной зоны на местности определяют по значениям и распределению в каждом из заданных районов максимумом произведения плотности населения на максимальную разовую концентрацию по всем загрязняющим веществам от всех основных источников во всем диапазоне "опасных" ветров с учетом розы ветров и класса опасности загрязняющих веществ для здоровья населения, а размер неблагополучной зоны определяют из условия сохранения информативности о всех источниках, формирующих загрязнение в зоне, осуществляют рекогносцировку местности в выбранных зонах размещения АПК, по результатам рекогносцировки назначают на местности нормативно обоснованные по условиям эксплуатации места установки АПК; в способе формирования сети наблюдений для контроля загрязнения атмосферы города определенном выше, в контролируемом районе города определяют координаты взвешенного по плотности населения центры тяжести района, находят среднеарифметическое значение этих координат и координат центра неблагополучной зоны, определенной выше, и принимают среднеарифметическое значение в качестве координат центра зоны, в которой устанавливают АПК;
в способе формирования сети наблюдений для контроля загрязнения атмосферы города,определеннном выше, с помощью существующей системы наблюдения окружающей среды получают в заданном интервале времени репрезентативную информацию о состоянии загрязнения воздуха различными вредными веществами в назначенных местах установки АПК, по репрезентативной информации окончательно конкретизируют координаты мест установки АПК.

Наличие отличительных признаков по сравнению с прототипом подтверждает новизну заявленного способа.

Среди известных технических решений не обнаружены признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, поэтому оно удовлетворяет критерию "существенные отличия".

Предложенный способ формирования сети наблюдений позволяет (при заданном количестве АПК) поставить под контроль живые зоны с высокой плотностью населения и высокой степенью загрязнения атмосферы, при этом одновременно обеспечивается получение репрезентативной информации об экологической ситуации в контролируемых зонах, осуществляется регистрация экстремального повышения уровня концентраций загрязнителей атмосферы с выявлением виновников экстремального загрязнения.

Для пояснения технической сущности предложенного изобретения рассматриваются разработанные в Государственном ракетном центре КБ им. академика В.П. Макеева и внедренные в систему локального экологического мониторинга предложения по местам размещения станций АПК первой очереди в АСЭМ г.Челябинска.

При этом для Челябинска с учетом его климато-географических особенностей ставилась задача определить размещения АПК для системы экологического мониторинга, обеспечивающей:
представление репрезентативной информации о состоянии атмосферы в жилых районах города с учетом распределения плотности населения;
выявление и предупреждение опасных экологических ситуаций в атмосфере города;
определение вероятных виновников повышенного загрязнения города и учитывающей ограниченность количества станций, необходимость совмещения датчиков для измерения содержания ряда веществ и наличия запретных зон по географическим координатам.

Построение сети наблюдений, учитывающей распределение плотности населения и решающей одновременно задачи предоставления репрезентативной информации и выявления виновника повышенного загрязнения, является уникальной задачей, для решения которой были использованы критерии, реализующие ряд целевых установок:
а) ранг или индекс узла, т.е. количество пар (k1,n1),(ki,ni),
где узел место установки станции контроля;
ki номер источника загрязнения, фиксируемого станцией;
ni номер румба ветра, при котором выброс от источника достигает станции.

(Этот критерий используется в методике построения сети, ориентированной на источники.)
б) значение максимальной разовой концентрации C_max.

(Этот критерий используется при анализе экологической ситуации в городе для выявления зон наибольшего загрязнения и выявления основных источников, формирующих это загрязнение.)
в) административные районы, представляющие собой неоднородные по плотности населения плоскости произвольной конфигурации. Определяя центр тяжести этой плоскости находят место установки АПК.

г) обобщенный функционал F=C_max·P, представляющий собой произведение максимальной разовой концентрации C_max на плотность населения P.

Благодаря такому выбору функционала сеть АПК не распространяется на зоны с высокой плотностью населения, но с малой концентрацией вредных веществ в атмосфере, а также на зоны с высокой степенью загрязнения, но с малой плотностью населения.

Максимизация функционала F=C_max·P позволяет оптимально учесть оба входящих в него параметра.

Поскольку, судя по опыту, обобщенный функционал F является многоэкстремальным, то последовательно, либо по районам, определяя точки локальных экстремумов в жилой зоне, получим последовательность точек на местности, претендующих на включение их в сеть возможных мест установки АПК, при этом места установки АПК должны находиться внутри зоны, на всей территории которой сохраняется информативность о всех источниках загрязнения воздуха в данной местности.

Учитывая, что количество АПК ограничено и его посты, выбранные с учетом ожидаемого максимума концентрации в жилой зоне (по обобщенному функционалу F= F_(max)), располагаются в районах интенсивной застройки P=P_(max), а также то обстоятельство, что, как показывают расчеты, допустимый сдвиг точки контроля, при котором ее интенсивность не меняется, может достигать 500 м, целесообразно в качестве мест установки АПК первой очереди выбирать точки, удовлетворяющие одновременно двум критериям (по обобщенному функционалу и по плотности населения).

В соответствии с нормативными документами конфигурацию сети АПК по численности и плотности населения формируют исходя из следующих основных положений:
а) количество постов определяется из расчета один пост на 100 тыс. человек;
б) посты устанавливаются по административным районам города.

На основании вышеизложенного в настоящее время определены места для установки первой очереди АПК в г.Челябинске. Они распределяются следующим образом:
а) Ленинский район X=10,4 км, Y=12,75 км (район перекрестка ул. Барбюса и ул. Руставелли);
б) Советский район X=8,25 км, Y=12,5 км (по ул. Доватора между ул. Шаумяна и ул. Колсанова);
в) Тракторозаводский район X=12 км, Y=14,8 км (район перекрестка ул. Ловина и ул. Марченко);
г) Металлургический район X=7,3 км, Y=14,8 км (по ул. 26 Бакинских комиссаров между ул. Калужской и ул. Доменной).

Примечание: 1. Координаты центров зон определены как среднеарифметическое значение координат постов по обобщенному функционалу и плотности населения.

2. Радиус зоны установки АПК 500м.

3. Координаты даны по план-схеме г. Челябинска М.1:320.

В дальнейшем при определении мест установки остальных АПК по аналогичному методу проверяют эффективность решения на этой сети задачи контроля источников загрязнения.

Для выбора возможных мест установки АПК используют:
данные по параметрам каждого источника загрязнения, представляемые по форме 2ТП Воздух;
характеристику основных промышленных выбросов предприятий города (суммарный выброс которых составляет 80-90% от общего выброса в городе);
схему города с координатной сеткой;
данные по повторяемости скоростей и направлений ветра;
исходные данные по метеоусловиям города, представляемые гидрометеоцентром;
список приоритетных веществ, для которых проводят расчеты (двуокись азота, двуокись серы, пыль неорганическая, окись углерода, бенз(а)пирен и др.);
исходные данные по плотности населения города;
перечень нормативно обоснованных запретных зон на установку АПК со стороны различных городских служб (архитектурная, пожарная, природно-ландшафтная и т.п.).

В процессе реализации предлагаемого способа формирования сети наблюдений для контроля загрязнения атмосферы города осуществляют следующую последовательность действий:
в соответствии с нормативной документацией определяют необходимое количество АПК на территории города в зависимости от численности населения;
в зависимости от конфигурации и численности административного района делят его на равные по численности населения микрорайоны;
определяют координаты взвешенного по плотности населения центра тяжести каждого из микрорайонов, как возможного места установки АПК;
определяют список приоритетных веществ, по которым будет осуществляться контроль;
определяют приоритетные источники загрязнения, т.е. те, которые дают 80-90% валового выброса по каждому из приоритетных веществ;
с помощью математической модели распространения примесей ОНД-86 расчетным путем находят загрязнение на всей территории города;
определяют в каждом из микрорайонов города точки, в которых произведение максимальной разовой концентрации C_max, формируемой источниками, дающими 80-90% валовых выбросов, на плотность населения P принимает максимальное значение по каждому из четырех приоритетных веществ (двуокись азота, двуокись серы, пыль неорганическая, окись углерода);
с учетом значений названных максимумов, их распределения, розы ветров и класса опасности веществ определяют центр возможной зоны установки АПК, для примера на чертеже показано распределение максимумов обобщенного функционала F= C_max·P по трем веществам (двуокись азота, двуокись серы, пыль) в Тракторозаводском районе, формирующихся под воздействием различных метеоусловий от различных заводов-источников загрязнения.

Центр зоны в этом случае определяют как среднеарифметическое значение точек максимума обобщенного функционала, так как значения названных максимумов примерно одного уровня и они располагаются друг от друга на незначительном расстоянии.

В других районах при значительных расстояниях между указанными максимумами учитывается класс опасности веществ или роза ветров (в первом случае в качестве возможного места установки АПК выбирается точка расположения обобщенного функционала более опасного вещества, во втором случае точка названного максимума, формирующегося под влиянием более частых ветров).

Определяют центр зоны установки АПК первой очереди как среднеарифметическое значение координат взвешенного по плотности населения центра тяжести данного микрорайона и координат выше определенного центра возможной зоны установки АПК;
определяют общую величину возможной зоны установки АПК из условий сохранения информативности о всех источниках, формирующих загрязнение в зоне;
осуществляют рекогносцировку местности в зонах установки АПК с помощью подвижных рабочих групп;
по результатам реконгносцировки назначают на местности нормативно обоснованные по условиям эксплуатации места установки АПК;
с помощью существующей системы контроля окружающей среды (например, с помощью автолабораторий Госкомгидромета) получают в заданном интервале времени репрезентативную информацию о состоянии загрязнения воздуха различными вредными веществами в выбранных местах установки АПК;
по репрезентативной информации окончательно конкретизируют координаты мест установки АПК, при необходимости перемещая место установки АПК в пределах выбранной зоны в точку с наилучшей репрезентативностью.

Предложенный способ формирования сети наблюдений для контроля загрязнения атмосферы города по сравнению с известным способом-прототипом обеспечивает в первую очередь при ограниченном количестве станций АПК контроль густозаселенных районов со сложной экологической обстановкой и предоставление репрезентативной информации о состоянии атмосферы в этих районах, выявление и предупреждение опасных экологических ситуаций, прогнозирование опасных экологических ситуаций с атмосфере города и определение вероятных виновников повышенного загрязнения атмосферы города ограниченным количеством станций, размещенных на территории города с соблюдением нормативных требований по условиям их эксплуатации и ограничений со стороны различных городских служб: архитектурные, пожарные, санитарные и т.п.

Предложенный способ использован при формировании первой очереди автоматических пунктов контроля в густозаселенных местах со сложной экологической обстановкой ленинского, Советского, Тракторозаводского и Металлургического районов города Челябинска.

Формула изобретения

Способ формирования сети наблюдений для контроля загрязнения атмосферы города, включающий установку автоматических постов контроля (АПК) воздушного бассейна в количестве и местах, регламентированных нормативными документами, отличающийся тем, что в нем для каждого из заранее заданных жилых районов города определяют возможные места установки АПК, которые находят расчетным путем, как наиболее неблагополучные зоны по состоянию воздушной среды в жилых секторах города, при этом центр неблагополучной зоны на местности определяют путем нахождения координат и значений максимумов произведения плотности населения на максимальную разовую концентрацию по всем основным для данного города загрязняющим веществам от всех основных источников загрязнения во всем диапазоне опасных ветров с учетом "розы ветров" и класса опасности загрязняющих веществ для здоровья населения и назначения по значениям и распределению на местности названных максимумов в каждом из заданных районов координат центра зоны как среднеарифметического значения координат всех названных максимумов, а размер неблагополучной зоны определяют из условия сохранения информативности о всех источниках, формирующих загрязнение в зоне, осуществляют рекогносцировку местности в выбранных зонах размещения автоматических постов контроля, по результатам рекогносцировки назначают на местности нормативно обоснованные по условиям эксплуатации места установки автоматических постов контроля.

РИСУНКИ

Рисунок 1