Способ контроля за выбросами загрязняющих веществ источниками загрязнения атмосферы

 

Изобретение относится к метеорологии и предназначено для использования в системе атмосфероохранных мероприятий для оперативного выявления источников загрязнения атмосферы (ИЗА) с текущим нормативно-несанкционированным уровнем выбросов вредных веществ (ВВ). В состав программно-математического обеспечения системы атмосферного мониторинга города включают алгоритм решения обратной задачи рассеивания загрязняющих веществ в воздушном бассейне города. В процессе функционирования системы атмосферного мониторинга данный алгоритм обеспечивает выявление местоположения ИЗА с нормативно-несанкционированным уровнем выбросов ВВ в атмосферу. По результатам выявления осуществляют экстренный контроль этих ИЗА непосредственно на месте их нахождения. Технический результат - оперативное выявление ИЗА с нормативно-несанкционированным уровнем выбросов ВВ за счет расширения функционально-эксплуатационных возможностей системы мониторинга загрязнения атмосферы. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано в системе атмосфероохранных мероприятий для оперативного выявления источников загрязнения атмосферы (ИЗА) с текущим нормативно-несанкционированным уровнем выбросов (грамм/сек) вредных веществ (ВВ).

Важнейшим направлением атмосфероохранной деятельности является государственный контроль ИЗА в целях получения объективной информации о выбросах ВВ в атмосферу промышленными предприятиями и транспортом, оценки соответствия фактических значений выбросов установленным нормативам и, при наличии несоответствия, принятие решений по проведению необходимого объема организационо-технических атмосфероохранных мероприятий, обеспечивающих это соответствие.

В настоящее время законодательно установленными для ИЗА нормативами уровня выбросов ВВ в атмосферу является уровень предельно допустимых выбросов (ПДВ) ВВ (грамм/сек) в атмосферу, определяемых по уровням предельно допустимых концентраций ВВ в атмосфере города.

При формировании рекомендаций по регулированию выбросов ВВ промышленными предприятиями текущие измерения состояния загрязнения атмосферного воздуха осуществляются с помощью сети стационарных и передвижных маршрутных пунктов контроля. Структура и конфигурация местоположения на местности сети пунктов контроля определяются областью использования данных наблюдения и кругом задач, решаемых в рамках атмосфероохранных мероприятий (см., например В.И.Красов и др., "Оптимизация пространственной структуры сети наблюдений при контроле загрязнения атмосферы города; в трудах ГГО им. А.И.Воейкова "Методы и средства контроля загрязнения атмосферы и промышленных выбросов", Л., Гидрометеоиздат, 1987 г., стр. 13-14).

Планирование пространственной структуры сети контроля загрязнения атмосферы основывается в настоящее время на немногочисленных нормативных документах, дающих рекомендации о числе пунктов контроля, но расположение пунктов на местности при этом не определяется (см., например, "Руководство по контролю загрязнения атмосферы" РД 52.04.186-89, М., Гидрометеоиздат, 1991, стр. 11-13).

Известен способ формирования сети наблюдения для контроля загрязнения атмосферы города, осуществляемый сетью стационарных и маршрутных пунктов контроля, которые размещены в густонаселенных зонах с неблагоприятной экологической обстановкой при соблюдении нормативных ограничений со стороны различных городских служб: архитектурных, пожарных, санитарных и т.п. (см., например, патент N 2102782 от 08.02.94г. "Способ формирования сети наблюдений для контроля загрязнения атмосферы города". Авторы - В.С.Земсков, В.И. Киселев, В. П. Колодий, С.М.Эфендиев. Заявитель - Государственный ракетный центр "КБ им. Академика В.П.Макеева").

Эффективность контроля загрязнения атмосферы города при использовании известного способа подтверждена результатами его эксплуатации в городе Челябинске (см., например, В.И.Киселев, А.В.Мочалина "Оценка поля концентрации окиси углерода в воздушном бассейне города Челябинска по результатам опытной эксплуатации автоматизированной системы экологического мониторинга", г. Уфа, 1995 г., Материалы конференции по проблемам экологии промышленных городов).

Оценка выбросов ВВ различных ИЗА по данным наблюдений на сети пунктов контроля загрязнения атмосферы, сравнение полученных оценок выбросов ВВ ИЗА с нормативно-санкционированными значениями и принятие решения о соответствии значений оценок выбросов ИЗА нормативным значениям в известном способе не производится.

Известно, что выявление и определение местоположения на местности ИЗА с нормативно-несанкционированным уровнем выбросов ВВ в атмосферу относится к числу основных задач государственного контроля ИЗА.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа является способ контроля источников выбросов ВВ промышленных предприятий города, включающий и инвентаризацию источников выбросов ВВ, развертывание и функционирование на территории города системы экологического мониторинга, в том числе автоматизированной системы мониторинга состояния загрязнения атмосферы, осуществляющей текущие измерения уровня загрязнения воздушного бассейна города с учетом ограничений на функционирование регламентированных нормативными документами, а также периодический (с нормативно-заданной частотой) плановый контроль за выбросами ВВ непосредственно ИЗА по месту их расположения на предприятиях, (см. "Общесоюзный нормативный документ. Руководство по контролю источников загрязнения атмосферы. ОНД-90. Часть 1, Санкт-Петербург, 1992 г., стр. 35-40).

В известном способе плановый контроль за выбросами ВВ по месту расположения ИЗА на предприятиях города осуществляется не чаще одного раза в шесть месяцев. Низкая частота планового контроля за выбросами ВВ по месту расположения ИЗА не обеспечивает оперативное выявление ИЗА с нормативно-несанкционированным уровнем выбросов ВВ, а данные измерения загрязнения атмосферы ВВ, как правило, не связывают с уровнем выбросов конкретных ИЗА. В этом и состоит недостаток способа - прототипа.

Настоящее изобретение решает задачу оперативного выявления ИЗА с нормативно-несанкционированным уровнем выбросов ВВ, в процессе и по результатам текущего измерения загрязнения атмосферы города, за счет расширения функционально-эксплуатационных возможностей системы мониторинга загрязнения атмосферы путем включения в состав ее программно-математического обеспечения алгоритма решения обратной задачи рассеивания, обеспечивающего выявление ИЗА с нормативно-несанкционированным уровнем выбросов ВВ, по выявлении которых проводят экстренный (внеплановый) контроль параметров выбросов ВВ этих ИЗА по месту их расположения на местности.

Поставленная задача решается тем, что предложен: Способ контроля за выбросами ИЗА города, включающий инвентаризацию источников загрязнения атмосферы города, развертывание и функционирование на территории города системы мониторинга атмосферы, в том числе автоматизированной системы мониторинга (АСМ) состояния загрязнения атмосферы, осуществляющей текущие измерения уровня загрязнения воздушного бассейна города в пунктах, количество и места функционирования которых на территории города регламентированы нормативными документами и плановый с нормативно-заданной частотой контроль выбросов ВВ ИЗА по месту их расположения на территории города, отличающийся тем, что в нем в рабочий состав программно-математического обеспечения (ПМО) системы мониторинга атмосферы вводят и в процессе функционирования системы атмосферного мониторинга задействуют алгоритм взаимосвязи между величиной массового выброса вредного вещества ИЗА и уровнем концентрации этого ВВ в пунктах контроля при текущих метеоусловиях (температура воздуха, скорость и направление ветра), по результатам расчетов ранжируют все ИЗА по уровню убывания их вклада в уровень приземной концентрации ВВ на каждом пункте контроля загрязнения атмосферы, включая в число основных загрязнителей те ИЗА, суммарный вклад которых составляет не менее 80% от суммарного расчетного загрязнения на каждом из пунктов контроля загрязнения атмосферы, сравнивают рассчитанные при различных значениях массовых выбросов основных ИЗА значения концентрации ВВ с замеренными значениями, по минимуму критерия качества, например, по минимуму суммы среднеквадратических отклонений расчетных от замеренных значений концентрации ВВ, во всех пунктах контроля определяют значения массовых выбросов для всех основных ИЗА, среди которых устанавливают местоположение ИЗА, превысивших уровень максимально-санкционированного массового выброса на величину не менее 10% и осуществляют экстренные замеры массовых выбросов ВВ этими ИЗА по месту их расположения. Наличие отличительных признаков, по сравнению с прототипом, подтверждает новизну заявленного способа.

Предложенный способ контроля за выбросами ВВ источниками загрязнения атмосферы города, осуществляемый по данным мониторинга загрязнения атмосферы, прежде всего, жилых районов с высокой плотностью населения и высокой степенью загрязнения атмосферы, позволяет в процессе своего осуществления оперативно выявить местоположение ИЗА с нормативно- несанкционированным уровнем выбросов ВВ в атмосферу промышленного города без (дополнительного) привлечения подфакельных измерений и без непрерывного проведения измерений параметров выбросов всех ИЗА.

Для пояснения технической сущности предложенного изобретения рассматривается разработанный в Государственном ракетном центре "КБ им. академика В. П. Макеева" алгоритм выявления ИЗА, превысивших нормативно-установленный предельно допустимый выброс ВВ в атмосферу города. Алгоритм функционирует на основе решения обратной задачи оценки выброса эмиссии ВВ ИЗА в условиях различных городов Урала (Челябинск, Златоуст, Кыштым, Первоуральск). Эти города, как объекты мониторинга, имеют следующие характеристики: - количество ИЗА - 9800 - 600 труб; - источники располагаются значительными группами по 5-10 штук на расстоянии от 5-10 до 50 метров, что затрудняет идентификацию влияния каждого из них на величину выбросов ВВ в целом в городе; - геометрические размеры труб характеризуются большим разнообразием - от низких, высотой до 10 м, до высоких, высотой до 150 м; - массовый выброс из различных источников характеризуется крайне большим разнообразием: от нескольких грамм/сек до 1500 грамм/сек из одной трубы; - из-за компактного расположения групп источников, практически при любом направлении ветра, происходит наложение факелов; - в качестве пунктов контроля, в которых проводятся регулярные измерения, используются как существующие стационарные, так и автоматические посты контроля загрязнения атмосферы (г.Челябинск), пространственная структура которых в количестве от 12 (г.Челябинск) до 3 (г.Кыштым) контрольных пунктов разработана в соответствии с методикой "Способа формирования сети наблюдений для контроля загрязнения атмосферы города" заявки на изобретение N 94004144/28(004300) от 08.02.94г. МПК G 01 W 1/00 и внедрена или внедряется в названных городах.

В процессе реализации предлагаемого способа контроля за выбросами загрязняющих веществ ИЗА города осуществляют следующую последовательность действий: - на пунктах контроля и метеостанции измеряют соответственно текущие значения концентрации ВВ в атмосфере, метеорологические параметры (температуру окружающей среды, скорость и направление ветра и т.д.); - при текущих значениях метеорологических параметров проводят расчет приземной концентрации контролируемого загрязняющего вещества от каждого ИЗА на каждом пункте контроля, по модели рассеивания ВВ, приведенной в "Методике расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий" (ОНД-86, Госкомгидромет, Ленинград, 1987 г, стр. 4-13, формулы (2.1.) - (2.31 г)), или по другим моделям (см., например, Н.Л. Бызова "Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы", М., Гидрометеоиздат, 1974, стр. 192.);
- определяют расчетную суммарную концентрацию контролируемого загрязняющего вещества от всех ИЗА и процентный вклад каждого ИЗА в расчетную суммарную концентрацию на каждом ИЗА в расчетную суммарную концентрацию на каждом пункте контроля;
- ранжируют все ИЗА по уровню их вклада в уровень приземной концентрации ВВ на каждом пункте контроля загрязнения атмосферы, включая в число основных загрязнителей те ИЗА, суммарный вклад которых составляет не менее 80% от суммарного расчетного загрязнения на любом из пунктов контроля загрязнения атмосферы;
- включают суммарный вклад от не основных ИЗА в фоновое загрязнение - С_ф;
- определяют значение функционала J

где C_i^изм, C_i^ф, C_i^р - измеренное, фоновое, расчетное значения приземной концентрации конкретного загрязняющего вещества, соответственно на i - м АПК, мг/м³; Ci^р - расчетное значение определяется при текущих значениях метеорологических метеопараметров и заданных значениях массовых выбросов ИЗА;
- варьируют величиной массового выброса ВВ из каждого ИЗА, минимизируя функционал J, например, методом поиска глобального экстремума;
- принимают за оценки (m_i^ф) истинных значений массовых выбросов ВВ основных ИЗА значения массовых выбросов основных ИЗА, при которых достигается минимум функционала J;
- оценки массовых выбросов ИЗА, полученные выше, сравнивают со значениями m_i^ПДВ для каждого из ИЗА по следующему решающему правилу: если m_i^ф ≥ m_i^ПДВ(1+ α), где α = 0,1, то ИЗА относится к источникам, превысившим нормативно-санкционированный уровень выбросов ВВ в атмосферу;
- повторяют указанную последовательность действий по каждому ВВ;
- осуществляют внеплановый (экстренный) контроль ИЗА с нормативно-несанкционированным уровнем выбросов ВВ в атмосферу;
- по результатам внепланового контроля ИЗА осуществляют необходимый комплекс атмосфероохранных мероприятий, направленных на понижение уровня выброса ВВ в атмосферу у выявленных ИЗА.

Проведенная оценка точности работы предложенного алгоритма на основе численного машинного моделирования процесса загрязнения атмосферы и работы самого алгоритма по выявлению ИЗА с нормативно- несанкционированным уровнем выбросов ВВ показала, что надежность алгоритма составляет ~80%, т.е. в 80% случаев ИЗА достоверно определены алгоритмом, как превысившие ПДВ.

Предложенный способ контроля за выбросами загрязняющих веществ источниками загрязнения атмосферы города по сравнению с известным способом-прототипом обеспечивает, в первую очередь, оперативность выявления местоположения ИЗА с нормативно-несанкционированным уровнем выбросов ВВ в атмосферу города при высокой степени надежности выявления этих источников.

Формула изобретения

1. Способ контроля за выбросами вредных веществ (ВВ) источниками загрязнения атмосферы города, включающий инвентаризацию источников загрязнения атмосферы города, развертывание и функционирование на территории города системы мониторинга атмосферы, в том числе автоматизированной системы мониторинга (АСМ) состояния загрязнения атмосферы, осуществляющей текущие измерения уровня загрязнения воздушного бассейна города в пунктах, количество и места функционирования которых на территории города регламентированы нормативными документами, и плановый с нормативно-заданной частотой контроль выбросов вредных веществ (ВВ) источниками загрязнения атмосферы (ИЗА) по месту их расположения на территории города, отличающийся тем, что в нем в рабочий состав программно-математического обеспечения (ПМО) системы мониторинга атмосферы вводят и в процессе функционирования системы атмосферного мониторинга задействуют алгоритм взаимосвязи между величиной массового выброса ВВ ИЗА и уровнем концентрации этого ВВ в пунктах контроля при текущих метеоусловиях, по результатам расчетов ранжируют все ИЗА по уровню их вклада в уровень приземной концентрации ВВ на каждом пункте контроля загрязнения атмосферы, включая в число основных загрязнителей те ИЗА, суммарный вклад которых составляет не менее 80% от суммарного расчетного загрязнения на каждом из пунктов контроля загрязнения атмосферы, сравнивают рассчитанные при различных значениях массовых выбросов основных ИЗА значения концентрации ВВ на пунктах контроля с замеренными значениями в этих же пунктах по минимуму критерия качества, например минимуму суммы среднеквадратических отклонений расчетных от замеренных значений концентрации ВВ, во всех пунктах контроля определяют значения массовых выбросов для всех основных ИЗА, среди которых устанавливают местоположение ИЗА, превысивших уровень максимально-санкционированного массового выброса на величину не менее 10% и осуществляют экстренные замеры массовых выбросов ВВ этих ИЗА по месту их расположения.

2. Способ контроля за выбросами вредных веществ источниками загрязнения атмосферы города по п.1, отличающийся тем, что в состав варьируемых параметров, по которым минимизируют критерий качества, включают скорость и направление ветра.