Рабочая программа по дисциплине Анализ и прогноз уровня загрязнения атмосферы, океана и вод суши Специальность 020804 геоэкология

Вид материала

Рабочая программа

Содержание Закономерности распространения загрязняющих веществ в турбулентной среде Режимы устойчивой и неустойчивой стратификации атмосферы Уравнение переноса примесей в турбулентной атмосфере. Анализ отдельных членов уравнения 2. Адвективный приток примеси 3. Установившееся распределение примеси по высоте Конвективный приток примеси Большие высоты (верхняя, экмановская, часть пограничного слоя). 4. Приток примеси под влиянием горизонтального турбулентного обмена R. Однако поскольку при увеличении R R (рис. 4). Более того, составив отношение q"(R, z, t)/q' (R, z, t) 5. Приток примеси под влиянием вертикального турбулентного обмена 6. Учет захвата и вымывания примеси каплями и кристаллами облаков и осадков Потенциал самоочищения Открытые возвышения (холмы) Долины, лощины, овраги Хроматографические методы Масс-спектрометрические методы. Электрохимические методы. Интегральная оценка качества поверхностных водотоков, атмосферного воздуха, почвы Очень чистая Очень грязная ... Полное содержание

Подобный материал:

• Утверждаю, 147.55kb.
• Основная образовательная программа высшего профессионального образования по направлению, 516.15kb.
• C. Исследование атмосферы и океана оптическими методами, 41.93kb.
• C. Исследование атмосферы и океана оптическими методами, 39.28kb.
• C. Исследование атмосферы и океана оптическими методами, 41.81kb.
• Уутверждаю, 205.02kb.
• А. Л. Чижевский Челябинск, 1943, 39.25kb.
• Рабочая программа по дисциплине «Учет и анализ банкротств» специальность 060500 «Бухгалтерский, 128.85kb.
• «Формы загрязнения природной среды. Загрязнители атмосферы, гидросферы, литосферы., 361.41kb.
• Геология месторождений полезных ископаемых специальность 020804 – геоэкология содержание, 54.54kb.

7. Осадки

Осадки относятся к числу наиболее изменчивых во времени и -пространстве метеорологических величин (пятнистый характер выпадения осадков). Установлено, что на распределение осадков оказывают влияние сам город и особенности рельефа местности.

Особенно неоднородно распределение по территории города и окрестностей ливневых осадков: нередки случаи, когда интенсивные осадки выпадают в одной части города и отсутствуют в других. Неравномерно по территории города и распределение толщины снежного покрова. По данным наблюдений, в Ленинграде только в 40 % случаев снег одновременно выпадает во всех районах города. Толщина выпавшего снега в разных частях города может существенно различаться: при сильных снегопадах разница в толщине выпавшего за сутки снега доходит до 10—14 см.


Лекция № 4

Закономерности распространения загрязняющих веществ в турбулентной среде


Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Возникновение и критерии турбулентного движения атмосферы
   
2. Режимы устойчивой и неустойчивой стратификации атмосферы
   

1. Возникновение и критерии турбулентного движения атмосферы
   

Поступающие из различных источников загрязняющие вещества (примеси) распространяются в атмосфере под влиянием: 1) переноса их воздушными течениями; 2) турбулентного обмена, 3) захвата примесей каплями облаков и туманов и последующего вымывания осадками.

Отличительной особенностью атмосферных движений служит то, что малые частицы воздуха (нередко называемые молями) совершают неупорядоченные, хаотические движения. Такой режим движения атмосферы (равно как и любой другой жидкости или газа) принято называть турбулентным. Режим, при котором частицы перемещаются по параллельным слегка искривленным плавным траекториям, называют ламинарным.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что характер движения жидкости и газа определяется двумя без­размерными числами или параметрами:

а) числом Рейнольдса


(1)


(здесь и – скорость движения, l – характерный размер потока, ν – кинематический коэффициент молекулярной вязкости);

б) числом Ричардсона

(2)

здесь – вертикальный градиент температуры воздуха; м –сухоадиабатический градиент; g—ускоре­ние свободного падения, Т—температура воздуха, К;

– вертикальный градиент скорости ветра; и, v — проекции ско­рости ветра на горизонтальные оси координат.

При малых значениях числа Re движение жидкости и газа но­сит ламинарный характер. При критическом значении Re_кр этого числа наблюдается переход ламинарного движения в турбулент­ное, а при больших значениях Re движение становится полностью турбулентным.

Оценка Re для атмосферных движений показывает, что их по­давляющая часть носит турбулентный характер. Исключение со­ставляют движения в очень тонком (толщиной от нескольких мил­лиметров до 1—2 см) слое воздуха, прилегающем к земной поверх­ности, так называемом вязком подслое.

Однако в атмосфере и гидросфере, где температура, плот­ность и скорость движения изменяются с высотой (глубиной), т. е. наблюдается расслоенность (неоднородность) по вертикали, число Re уже не может служить единственным критерием возникнове­ния и тем более развития турбулентности в такой расслоенной (стратифицированной) среде. Анализ уравнения, определяющего изменение во времени кинетической энергии турбулентных ча­стиц показывает, что в расслоенной среде, наряду с числом Рейнольдса, режим движения зависит от введенного выше числа Ри­чардсона Ri, учитывающего влияние как термического (γ), так и динамического (β) факторов на возникновение и развитие турбу­лентности в атмосфере и гидросфере. Как и для Re, существует критическое значение Ri_кp, которое, по современным оценкам, близко к единице.

При значениях Ri < Ri_кp интенсивность турбулентного движе­ния, под которой имеется в виду кинетическая энергия турбулент­ных частиц, со временем усиливается; при Ri > Ri_кp, наоборот, – ослабевает и при очень больших значениях турбулентный режим может перейти в ламинарный.

Уменьшению Ri и, следовательно, усилению интенсивности тур­булентного движения способствует, как следует из выражения (2), увеличение вертикальных градиентов температуры γ и ско­рости ветра β.

2. Режимы устойчивой и неустойчивой стратификации атмосферы
   

Большие (положительные) значения у в приземном слое атмо­сферы наблюдаются наиболее часто при малооблачной погоде в дневные часы теплого сезона года. В этих случаях температура почвы и воздуха вблизи нее под влиянием солнечной радиации достаточно высокая, а при подъеме температура воздуха быстро па­дает с высотой: градиент у положителен и, как правило, больше γ_a : γ > γ_a. Такая стратификация называется неустойчивой. Число-Ричардсона при этом меньше нуля Ri < 0.

В ночные часы теплого сезона года, а зимой нередко и в тече­ние всех суток, особенно при морозной малооблачной погоде, в приземном слое под влиянием радиационных потерь тепла зем­ной поверхностью температура воздуха наиболее низкая у земной поверхности, а при подъеме растет с высотой. Такое распределе­ние температуры воздуха по высоте называют инверсионным. При этом градиент γ отрицателен, число Ri > 0, интенсивность турбу­лентного движения со временем ослабевает, вплоть до полного-исчезновения.

Инверсионная стратификация (γ < 0) является частным слу­чаем более широкого класса устойчивой стратификации, при ко­торой температура воздуха падает с высотой медленнее темпера­туры частицы, поднимающейся адиабатически в атмосфере.

Увеличение вертикального градиента β скорости ветра всегда способствует усилению турбулентности, поскольку при этом умень­шается Ri. Рост β в приземном слое однозначно связан с увели­чением самой скорости ветра. Таким образом, при фиксирован­ном γ (термический фактор) турбулентное движение (обмен) тем интенсивнее, чем больше скорость ветра, и, наоборот, при очень слабом ветре турбулентный обмен в приземном слое прекра­щается.

Наглядное представление о степени развития турбулентности в атмосфере дает распространение дыма из заводских и печных труб. При малых скоростях ветра или инверсионной стратифика­ции (в общем случае при больших значениях Ri) дым распростра­няется в виде тонкой струи на значительное расстояние. По мере увеличения скорости ветра или перехода от устойчивой стратифи­кации к неустойчивой (в общем случае при уменьшении Ri) струя дыма приобретает все более извилистый характер и, наконец, раз­бивается на отдельные клубы дыма.

В случае рассмотрения проблемы загрязнения атмосферы в гло­бальном масштабе необходимы сведения по крайней мере о ха­рактеристиках тропосферы и стратосферы, поскольку примеси ис­кусственного и естественного происхождения проникают и распро­страняются в этих слоях. Особого внимания при этом заслуживает влияние примесей на озоносферу (20–55 км) – слой, в котором сосредоточена основная масса озона, содержащегося в атмосфере; некоторое количество его содержится и в других слоях, в частно­сти в тропосфере.

Однако практически все примеси антропогенного происхожде­ния (исключение составляют радиоактивные примеси, образую­щиеся при ядерных взрывах) распространяются вверх до высоты 1,0–1,5 км, представляющей собой верхнюю границу Н планетарного пограничного слоя атмосферы. Граница эта испытывает зна­чительные колебания во времени и пространстве: от 300–400 м при слабо развитом (большие значения Ri) до 2,0–2,5 км при сильно развитом (малые значения Ri) турбулентном обмене.

Пограничный слои находится в особенно тесном взаимодейст­вии с земной (подстилающей) поверхностью. На турбулентность в этом слое помимо γ и β большое влияние оказывает шерохова­тость подстилающей поверхности: высота и вид неровностей зем­ной поверхности (растительный покров, здания, холмы и др.). Для количественной характеристики влияния подстилающей поверхно­сти на воздушный поток вводится понятие параметр шероховато­сти z₀.

Внутри пограничного слоя выделяется приземный (приводный) слой атмосферы с верхней границей от 30–50 м до 150–250 м, в пределах которого особенно велики (по абсолютной величине) и испытывают особенно большие колебания во времени и про­странстве вертикальные градиенты метеовеличин: температуры, влажности, скорости ветра – и концентрации примесей.


Лекция № 5

Уравнение переноса примесей в турбулентной атмосфере. Анализ отдельных членов уравнения


Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Общий вид уравнением турбулентной диффузии примесей

2. Адвективный приток примеси

3. Конвективный приток примеси

4. Приток примеси под влиянием горизонтального турбулентного обмена

5. Приток примеси под влиянием вертикального турбулентного обмена

6. Учет захвата и вымывания примеси каплями и кристаллами облаков и осадков


1. Общий вид уравнением турбулентной диффузии примесей. Уравнение переноса (притока) примеси в турбулентной атмосфере, называемое также уравнением турбулентной диффузии примесей, имеет следующий вид (рассматриваются средние значения концентрации, скорости движения и др.)

(1)

Выполним качественный анализ уравнения переноса примесей, позволяющий оценить знак различных членов в правой части (1), а вместе с этим и тенденцию изменения концентрации примесей во времени под влиянием различных факторов. Отметим, что горизонтальные составляющие скорости переноса примеси и, v совпадают с составляющими скорости ветра. Что касается вертикальной составляющей w, то для газообразных примесей, а также мелких (легких) жидких и твердых примесей, радиус частиц которых меньше 1 мкм, она практически равна вертикальной скорости движения воздуха. Однако в случае крупных (тяжелых) примесей (радиус частиц больше 1 мкм) под составляющей w в уравнении (1) следует понимать алгебраическую сумму вертикальной скорости движения воздуха w_a и средневзвешенной (по массе) скорости падения частиц примеси под влиянием силы тяжести, но с учетом, конечно, силы трения:

,

при этом под понимается абсолютная величина (модуль) скорости падения частиц, которая всегда направлена по вертикали вниз, поэтому она и вычитается. Вертикальная же скорость положительна (w_a > 0) при восходящем движении воздуха и отрицательна (w_a <. 0) при нисходящем.



Рис. 1. Поле концентрации примесей в горизонтальной плоскости.


Согласно уравнению (1), концентрация примеси в фиксированной точке пространства (дq/дt — локальная производная во времени) изменяется со временем под влиянием следующих факторов.

2. Адвективный приток примеси — первое слагаемое в правой части (1). Для оценки этого фактора необходимо иметь данные о концентрации примеси во многих точках города и скорости ветра. Нанеся данные измерений q на карту, проводим изолинии концентрации (q=const). Изолинии эти имеют, как правило, эллипсоидальную форму, при этом максимум концентрации (при осреднении ее за достаточно большой интервал времени – декаду, месяц, сезон) находится, как правило, вблизи центра города (рис. 1). Наряду с основным максимумом q наблюдается несколько вторичных максимумов. Если ось х направлена по касательной к линии тока, которую следует также провести на карте, то, согласно данным рис. 1, на наветренной стороне города и> 0, v=0 и дq/дx>0. Таким образом, адвективный приток примеси здесь меньше нуля (), а концентрация примеси под влиянием этого фактора со временем убывает (дq/дt < 0).

На подветренной стороне города, согласно данным рис. 1, и > 0, v=0 и дq/дx < 0. Здесь, таким образом, адвективный приток примеси больше нуля, а ее концентрация со временем возрастает.

3. Установившееся распределение примеси по высоте Конвективный приток примеси — второе слагаемое в правой части (1). Для оценки этого фактора необходимо знать вертикальные профили концентрации примеси и скорости w.

В общем случае концентрация загрязняющих атмосферу веществ является сложной функцией координат и в каждой точке пространства изменяется под влиянием рассмотренных выше факторов во времени. Исследовать эту зависимость концентрации от координат и времени на основе уравнения (1) можно в общем случае лишь с помощью численных методов с последующей реа­лизацией построенного решения на современных ЭВМ. К тому же для построения замкнутого решения уравнение (1) следует дополнить уравнениями движения (для определения и и v), неразрывности (для определения w_a), баланса турбулентной энергии (для k_z), движения частиц примеси и капель облаков и осадков (для определения и τ). Необходимо также привлечь ряд полуэмпирических соотношений – функции распределения частиц примеси, а также капель облаков и осадков по размерам; формулу, связывающую коэффициент ks с характеристиками поля ветра; ряд формул теории подобия или эмпирических выражений, устанавливающих связи между параметрами вертикального обмена и термодинамическими величинами.

В этой общей постановке исследование и количественная оценка загрязнения атмосферы примесями различного происхождения далека от завершения. Однако к настоящему времени выполнено большое число оценок загрязнения атмосферы для некоторых частных случаев, которые получаем на основе различных предположений об источниках примесей, характере движения, коэффициентах уравнений и др.

Рассмотрим один из таких частных случаев. С этой целью осредним уравнение (1) за достаточно большой интервал времени (декада, месяц, сезон, год) и по большой площади, например по всему городу. Тогда можно считать близкими к нулю:

а) левую часть уравнения—процесс загрязнения воздушного бассейна города установившийся (dq/dt=0); б) адвективный приток примеси (), поскольку этот приток имеет разные знаки в различных частях города и меняет знак во времени в одной и той же точке, прежде всего, под влиянием смены направления ветра.

С учетом того что горизонтальная диффузия учитывается с помощью формулы (2), уравнение (1) для этого частного случая запишем в виде

(3)

При этом мы также предполагаем, что коэффициенты уравне­ния k_z, w, τ равны некоторым осредненным по времени и площади значениям, поэтому они вынесены из-под знака осреднения. Однако коэффициенты k_z, w и τ в уравнении (3) являются функциями высоты. Поэтому решение даже этого упрощенного уравнения без специальных допущений о виде функциональной зависи­мости коэффициентов от высоты можно построить лишь с помощью численных методов. Чтобы получить решение уравнения (3) в виде, выражающемся через известные функции, дополнительно предположим: в) скорость w не зависит от высоты и равна некоторому среднему по всему пограничному слою значению: w=w=const; г) в приземном слое толщиной h=50—100 м, в котором существенно изменение k_z с высотой, мала роль вымывания примесей осадками или радиоактивного распада, поскольку толщина этого слоя мала по сравнению со всем пограничным слоем. Что касается коэффициента турбулентности k_z, то, как установлено многочисленными исследованиями, в частности с привлечением теории подобия и размерности, коэффициент этот в приземном слое всегда растет (в непосредственной близости к земной поверхности –линейно) с увеличением высоты. Выше приземного слоя k_z практически не зависит от z.

Малые высоты. В случае тяжелой (радиусом в несколько десятков микрометров) примеси концентрация таких примесей всегда убывает с высотой. Однако в случае газообразных, а также легких твердых и жидких примесей, концентрация таких примесей не падает, а растет с высотой. Но в таких барических системах следует учитывать захват и вымывание примеси облаками и осадками, поскольку они здесь всегда наблюдаются.

Большие высоты (верхняя, экмановская, часть пограничного слоя). Концентрация тяжелой (достаточно крупной) примеси (v_g>0), а также концентрация любых примесей при w_a < 0 (антициклоны и гребни) всегда падает с высотой, асимптотически приближаясь к нулю при z→∞.

Турбулентный обмен в свою очередь интенсивен в тех случаях, когда наблюдается сильный ветер или термическая стратификация приземного слоя неустойчивая—вертикальный градиент температуры γ=—дТ/дz больше сухоадиабатического γ_а, а в насыщенном воздухе—влажноадиабатического градиента или или когда сильно шероховатая земная поверхность.

Поскольку на значительных высотах концентрация примеси при малых значениях параметра а повышена (см. рис. 2), то как из физических представлений, так и из результатов расчета следует, что концентрация примеси на малых высотах, в частности в непосредственной близости к земной поверхности, понижена, однако при том непосредственном условии, что масса примесей, поступающих из источников, во всех случаях сохраняется постоянной.



Рис. 2. Распределение нормированной (на q_h) концентрации примесей по высоте при малых (1) и больших (2) значениях параметров а и δ.




Рис. 3 Распределение концентрации примесей по высоте при сильно (1) и слабо (2) развитом турбулентном обмене.


При больших значениях параметров а и δ концентрация примеси быстро падает с высотой, вследствие чего ее содержание мало на значительных высотах и велико на малых, в частности вблизи земной поверхности. Большие значения а и δ отмечаются в тех случаях, когда слаборазвит турбулентный обмен (мала скорость ветра, устойчивая, особенно инверсионная, термическая стратификация приземного слоя: или ; мала шероховатость земной поверхности) или велики размеры частиц примеси или наблюдаются сильные нисходящие движения (скорость их w_a < 0 и велика по модулю — в мощных антициклонах). Типичные кривые распределения над городом концентрации загрязняющих веществ по высоте при малых и больших значениях параметров а и δ приведены на рис. 2, 3.

Из приведенных рассуждений следует: по сравнению с некоторым средним уровнем, наблюдаемым в данном городе, высокие уровни загрязнения на малых высотах создаются или при слабом ветре, или при сильно устойчивой (инверсионной) стратификации, когда разность температур воздуха у земной поверхности (Т_о) и на некоторой высоте, например 500 м (T₅₀₀), отрицательна: ΔТ==Т₀-Т₅₀₀ < 0. Такая стратификация чаще наблюдается ночью и зимой, чем днем и летом, или при антициклонической метеорологической обстановке. Нередко все эти факторы действуют одновременно, и тогда возникает наиболее тяжелая обстановка – содержание загрязняющих веществ на малых высотах особенно велико, их концентрация может во много раз превышать предельно допустимую концентрацию (ПДК).

На больших высотах при этих условиях содержание примесей понижено, толщина аэрозольного облака z* над городом минимальна (оно прижато к земле).


4. Приток примеси под влиянием горизонтального турбулентного обмена—третье слагаемое в правой части (1). Этот фактор всегда приводит к распространению (диффузии) примеси на то или другое расстояние от ее источников, в частности, в окрестностях города. Хотя и построены решения уравнения (1), учитывающие влияние горизонтальной диффузии, однако более целесообразно, в соответствии с опытными данными, описывать распределение примеси по горизонтали, обусловленное турбулентностью, с помощью нормального закона (формулы Гаусса), т. е. представляя q (x, у, z, t) в виде

, (2)

где – расстояние турбулентной частицы (моля) от оси z, σ_r—среднее квадратическое отклонение этого расстояния, q*(z,t)—осредненная по горизонтальной площади S, теоретически бесконечно большой, концентрация примесей на данной высоте z в момент времени t.

Легко видеть, что максимальное значение концентрации, равное q*(z,t), определяемое выражением (2), наблюда­ется в начале координат (при х=у=0). Поле концентраций симметрично относительно этого начала. С увеличением расстояния R от начала координат концентрация убывает по экспоненциальному закону, асимптотически приближаясь к нулю при R→∞.

Сравним распределение q(x, у, z, t) по горизонтали при двух значениях стандарта σ_r, например σ’_r и σ’’_r, при этом σ’_r < σ’’_r. При R=0 концентрация q(0, z, t) в первом случае, когда турбулентный обмен менее интенсивен (вследствие этого σ’_r мало), больше, чем во втором (при σ’’_r):

q'(0, z, t)>q"(0, z, t).

Такое же неравенство сохраняется при малых значениях R. Однако поскольку при увеличении R концентрация во втором случае убывает медленнее (велико σ’’_r), чем в первом, то на больших расстояниях от центра города, в соответствии с физическими представлениями, соотношение между концентрациями q'(R, z, t)

противоположно наблюдаемому при малых значениях R (рис. 4). Более того, составив отношение q"(R, z, t)/q' (R, z, t), убеждаемся в том, что на очень большом расстоянии от центра города это отношение неограниченно растет при увеличении R.



Рис. 4. Распределение концентрации примесей по горизонтали при слабо (1) и сильно (2) развитом турбулентном обмене.


5. Приток примеси под влиянием вертикального турбулентного обмена – четвертое слагаемое в правой части уравнения (1).

В случае высотного источника примесь поступает к земной поверхности под влиянием переноса ее турбулентными молями. С усилением неустойчивости возрастает интенсивность турбулентного об­мена, а вместе с ним и концентрация примеси вблизи земной поверхности. Такое заключение справедливо лишь для высотных источников. Для низких (в том числе наземных) источников зави­симость концентрации от стратификации противоположна, наи­большая концентрация примесей в этом случае наблюдается при устойчивом (особенно, инверсионном) распределении температуры с высотой.


6. Учет захвата и вымывания примеси каплями и кристаллами облаков и осадков

Пятое слагаемое в правой части уравнения (1) описывает убыль (отток) примеси вследствие захвата примеси каплями и кристаллами облаков, туманов и осадков, а также радиоактивного распада примеси, если она радиоактивна. Под влиянием этого фактора, а также падения частиц в поле силы тяжести происходит самоочищение атмосферы. Все другие факторы лишь перераспределяют примесь в атмосфере. Если действует только пятый фактор, то уравнение (1) принимает вид

.

Интегрируя это уравнение при начальном условии q=q₀ при t=0, получаем q(t)=q₀exp(-t/τ)

Таким образом, при t=τ концентрация (q(τ)=q₀/е, т. е. за время, равное τ, концентрация убывает в е=2,72... раз. Эти рассуждения выясняют физический смысл времени жизни примеси τ.

Выше уже указано, что при циклонической обстановке, когда w_a > 0, необходимо учитывать влияние захвата и последующего вымывания загрязняющих веществ каплями и кристаллами облаков и осадков. Этот процесс в конечном счете приводит к самоочищению атмосферы. Газообразные примеси, в первую очередь диоксид серы, реагируют с каплями, превращаясь в жидкие примеси, и с ними оседают на земную поверхность.

Легко видеть, что с учетом вымывания концентрация примеси, как тяжелой, так и легкой, всегда убывает с высотой не только при нисходящих, но и при восходящих вертикальных движениях воздуха в циклонах.

Концентрация любой примеси (легкой и тяжелой) всегда падает с высотой при любой синоптической обстановке. Однако скорость убывания q(z) при увеличении высоты существенно различна в областях пониженного и повышенного давления.

Например, концентрация примеси убывает в е==2,72 раз по сравнению со значением ее при z=h при подъеме всего лишь примерно на 200 м в антициклоне и более чем на 750 м в циклоне. Из этого следует, что общая метеорологическая обстановка оказывает существенное влияние на уровень загрязнения атмосферы: при антициклонической обстановке концентрация примесей повышена вблизи земной поверхности и понижена в верхней части пограничного слоя; циклоническая обстановка сопровождается снижением уровней загрязнения на малых высотах и ростом их на больших К тому же следует иметь в виду, что в антициклонах чаще, чем в циклонах наблюдается инверсионная стратификация и более слабые ветры.

По формулам можно оценить высоты верхней границы облака примесей.

Общий вывод сводится к тому, что метеорологические условия оказывают существенное (нередко определяющее) влияние на уровни загрязнения атмосферы вблизи земной поверхности, на распределение концентрации примесей в пространстве и изменение во времени.

Остановимся еще на учете адвективного притока примеси. Легко видеть, что на наветренной стороне города концентрация примеси под влиянием адвекции падает с высотой быстрее, чем в случае отсутствия адвекции, в то время как на подветренной стороне города этот процесс идет медленнее.


Лекция № 6

Потенциал самоочищения атмосферы


Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Определение потенциала самоочищения
   
2. Факторы, обусловливающие потенциал загрязнения атмосферы
   
3. Пример построения карты рассеивающей способности атмосферы г. Саранска с помощью ГИС-технологий.
   

Потенциал самоочищения — способность трансформировать привнесенные инородные вещества различного происхождения без нежелательных последствий для здоровья. Самоочищение ландшафтов — способность ландшафтов (геосистем) устранить загрязняющее действие привнесенных веществ или энергии и восстановить после загрязнения свои первичные свойства благодаря природным процессам: разложения, адсорбции (поглощение веществ из растворов или газов водами, растениями, почвами, грунтами и др.; от лат. ad — на, у, при + sorbere — поглощать, всасывать), растворения или разбавления, выноса за пределы ландшафта и др. Самоочищение зависит от хода естественных процессов — скорости и характера химического и биохимического превращения веществ, их выноса или рассеивания и др. С падением интенсивности круговорота веществ и преоб­ладанием процессов их накопления самоочищение ослабевает и может практически отсутствовать.

Потенциал самоочищения оценивается на основе весовых значений факторов, обусловливающих различия в скоростях процессов очищения. В атмосферном воздухе такими факторами являются интенсив­ность ультрафиолетового излучения, вероятность штилей, количество осадков.

Например, для территории г. Саранска характерна слабая дифференциация дан­ных факторов. Все их значения укладываются в пределах одной гра­дации и практически для всей территории потенциал самоочищения воздушной среды одинаков и для газов составляет 0,58, а для аэро­золей - 0,68.

В современных условиях быстрого развития промышленности, роста городов и освоения новых территорий усиливается воздействие на окружающую среду, которое особенно проявляется в резком возрастании вредных выбросов в атмосферу от антропогенных источников. Программа развития экономики города требует особого внимания к проблемам охраны окружающей среды и, в частности, атмосферного воздуха. Большая ответственность ложится на планирующие и экспертные службы охраны атмосферного воздуха, обязанные оценивать устойчивость территории к существующим и предполагаемым нагрузкам и делать обоснованные выводы о целесообразности строительства планируемого предприятия в том или ином месте. При решении такой задачи как правило нужно рассматривать несколько альтернативных проектов и выбирать из них оптимальные по нагрузке на атмосферный воздух. Для этой цели необходимо, прежде всего, знать потенциал рассеивающей способности атмосферы, под которым следует понимать комплекс метеорологических условий, характерных для той или иной местности и способствующих как накапливанию примесей в атмосфере, так и ее самоочищению. Наблюдения показывают, что даже при постоянных объемах и составах промышленных и транспортных выбросов в результате влияния метеорологических условий уровни загрязнения воздуха могут различаться в несколько раз. Учет этого влияния очень важен. Одним из главных метеорологических параметров влияющих на рассеивание примесей в атмосфере является скорость и направление ветра. Скорость ветра способствует переносу и рассеиванию примесей, так как с усилением ветра возрастает интенсивность перемешивания воздушных слоев. На распространение примесей влияют также упорядоченные вертикальные движения, обусловленные неоднородностью подстилающей поверхности. В условиях пересеченной местности на наветренных склонах возникают восходящие, а на подветренных – нисходящие движения. При нисходящих потоках приземные концентрации увеличиваются, при восходящих – уменьшаются. В некоторых формах рельефа, например в котловинах, воздух застаивается, что приводит к накоплению вредных веществ, вблизи подстилающей поверхности, особенно от низких источников выбросов. В холмистой местности максимумы приземной концентрации примеси обычно больше, чем при отсутствии неровностей рельефа.

Для построения карты рассеивающей способности атмосферы использовалась методика, разработанная в Главной геофизической обсерватории имени А. И. Воейкова [1]. Согласно данной методики на основе топографического плана территории г. Саранска п
ри помощи геоинформационной системы ArcView 3.1 была первоначально составлена карта распределения склонов по экспозиции, т.е. по направлению их ориентации по сторонам света, и карта углов наклона рельефа. После чего склоны на карте экспозиций были распределены на параллельные ветру, наветренные и подветренные. Учитывая среднегодовую розу ветров на территории г. Саранска в расчетах рассматривались наиболее преобладающие ветра – это соответственно южные и юго-западные (рис. 1.). Затем, совместив карту экспозиций склонов с картой углов наклона рельефа и картой продуваемых и не продуваемых оврагов, предварительно разбив все склоны на три части (верхнюю, среднюю и нижнюю), получили карту ветрового режима в виде поправочных коэффициентов изменения скорости ветра в различных условиях рельефа (по Романовой Е. Н. [2], см. табл. 1.). На полученной карте ветрового режима территории г. Саранска показаны участки с нормальными (К=1–1,1), уменьшенными (К=0,9 и менее) и с увеличенными скоростями ветра (К=1,2 и более). На участках, где происходит уменьшение скорости ветра, происходит накопление загрязняющих веществ, а на территории с увеличенными скоростями происходит интенсивное рассеивание. Рельеф местности в основном оказывает динамическое действие на поток воздуха свободной атмосферы. Если ветер набегает на препятствие, то его движение изменяется, он разделяется на ряд воздушных потоков, обтекающих выступы рельефа местности.

На рассеивание примесей в условиях города существенно влияет планировка улиц, направление и высота зданий, наличие зеленых массивов, образующих как бы разные формы наземных препятствий воздушному потоку и приводящих к возникновению особых метеорологических условий в городе. Трансформация воздушного потока происходит при обтекании различных фрагментов застройки. В одних случаях скорость ветра и его направление уменьшаются, а в других возрастают.

Используя карту этажности городской застройки были определены коэффициенты трансформации воздушного потока по методике, предложенной Серебровским Ф. Л. (метод фрагментов [3]) и построена соответствующая карта. При создании окончательного варианта карты рассеивающей способности атмосферы г. Саранска был также принят во внимание поправочный коэффициент для территорий занятых древесно-кустарниковой растительностью (К=0,5). Перемножив с помощью картографического калькулятора ГИС ArcVew ранее вычисленные поправочные коэффициенты получили окончательный вариант карты рассеивающей способности атмосферы г. Саранска.


Таблица 1 - Коэффициенты изменения скорости ветра в различных условиях рельефа

Форма рельефа	Скорость ветра на ровном месте на высоте 2 м (по данным метеостанции), м/с
	3–5	6–20
Открытое ровное место Открытые возвышения (холмы) Наветренные склоны крутизной 3-10˚: верхняя часть средняя часть нижняя часть Параллельные ветру склоны крутизной 3-10˚: верхняя часть средняя часть нижняя часть Подветренные склоны крутизной 3-10˚: верхняя часть средняя часть нижняя часть Долины, лощины, овраги: продуваемые ветром не продуваемые ветром	1 1,2-1,3 1-1,1 1 1,1-1,2 0,9-1 0,8-0,9 0,8-0,9 0,8-0,9 0,7-0,8 1,1-1,2 0,7-0,8	1 1,.1-1,2 1-1,1 0,9-1 1-1,1 0,8-0,9 0,7-0,8 0,7-0,8 0,8-0,9 0,7-0,8 1,2-1,3 0,7-0,8

Лекция № 7

Основные методы анализа веществ, загрязняющих атмосферу


Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Хроматографические методы

2. Масс-спектрометрические методы

3. Спектральные методы

4. Электрохимические методы


Анализ загрязнений, содержащихся в воздушной среде, можно отнести к наиболее трудным задачам аналитической химии. Это обусловлено следующими причинами:

• одна проба одновременно может содержать десятки и даже сотни органических и неорганических соединений;
  
• концентрация токсичных веществ в атмосфере может быть
  ничтожно малой (до 10^-4—10^-7 % и ниже);
  
• воздух представляет собой неустойчивую систему с постоянно меняющимся составом (наличие влаги, кислорода, фотохимические реакции, изменение метеорологических условий).
  

Для целей анализа загрязнений воздуха получили распрост­ранение методы, которые можно разбить на четыре группы: хроматографические, масс-спектрометрические, спектральные, электрохимические.

Хроматографические методы наиболее эффективны при ана­лизе сложных смесей. В частности, газовая хроматография — иде­альный метод исследования микропримесей летучих органических соединений.

В газовом хроматографе раз­деление летучих веществ происходит в следующей последовательности. С помощью специального устройства — обычно небольшого стеклянного шприца – проба вводится с од­ного конца длинной узкой хроматографической колонки (трубка длиной 0,9—3,0 м и диаметром 0,25–50 мм), через которую про­текает газ-носитель. В качестве газа-носителя используется инерт­ный газ, который проходит через колонку с постоянной ско­ростью и выносит компоненты пробы, появляющиеся на выходе в зависимости от времени удерживания их в колонке. Разделение происходит за счет твердого (абсорбента) или жидкого (адсор­бента) вещества, находящегося в колонке и называемого непод­вижной фазой. Благодаря абсорбции отдельных компонентов на активных центрах абсорбента или их растворению в неподвижной фазе в зависимости от физических свойств компонентов смеси одни из них продвигаются быстрее, а другие медленнее, что поз­воляет их различать на выходе, применяя соответствующий де­тектор. В результате можно получить зональное распределение компонентов — хроматограмму, позволяющую выделить и про­анализировать отдельные пробы вещества.

В последние годы наиболее широкое применение для автома­тического контроля углеводородов получил пламенно-ионизационный метод. Детектирование с применением пламенно-ионизационного ме­тода осуществляется введением газообразной пробы в пламя водорода. Пламя находится между электродами, на которых под­держивается напряжение в несколько сот вольт. При отсутствии примесей (горение только одного водорода) возникающий ток ионизации ничтожно мал. Когда в водородное пламя вводится газообразная проба, содержащая углеводороды, в пламени образуются ионы, которые направляются к положи­тельному электроду. Возникающий ток ионизации усиливается электрометрическим усилителем постоян­ного тока и регистрируется самопишущим прибором. К числу достоинств пламенно-ионизационного метода отно­сятся: высокая чувствительность к органическим веществам, линейная характеристика преобразования, нечувствительность к большинству примесей неорганического происхождения.

Использование пламенно-ионизационного метода для детекти­рования после разделения компонентов пробы с применением га­зовой хроматографии позволяет различать присутствующие угле­водороды и определить их количество. Следует отметить, что собственно пламенно-ионизационный метод дает возможность оп­ределять только суммарное количество присутствующих углеводо­родов и не позволяет различать вещества.

Масс-спектрометрические методы. Сложные композиции за­грязняющих веществ в атмосферном воздухе, одновременное при­сутствие органических и неорганических соединений существенно затрудняет проведение анализа. Для качественной и количественной оценки композиций необходимо четко разделить анализируе­мые вещества и получить однозначные характеристики для каж­дого из них. Одновременное выполнение этих двух требований обеспечивает масс-спектральный анализ с предварительным хроматографическим разделением соединений. Такой анализ получил название «хромато-.масс-спектрометрия» (ХМС).

По существу в ХМС-анализе воздушных загрязнений имеются дна подхода:

1) определение специфических соединений или интересующих классов;

2) общий анализ (качественный и количественный) всех сое­динений, присутствующих в данной пробе загрязненного воздуха.

Спектральные методы анализа являются наиболее распростра­ненным способом исследования качественного и количественного состава загрязнений воздуха. Атомная абсорбция, плазменная эмиссионная спектроскопия, рентгенофлуоресцентная спектроско­пия, лазерные методы и другие позволяют определить множество микропримесей в воздухе.

Одним из наиболее доступных методов анализа воздуха в этой группе является колориметрия. Метод основан на измерении ослабления светового потока вследствие избирательного поглоще­ния света определяемым веществом в видимой области спектра. Определяемый ингредиент переводится в окрашенное соединение с помощью специфической химической реакции, затем определя­ется (интенсивность окраски раствора. Если исследуемое вещество непосредственно поглощает в видимой области спектра, продол­жительность анализа снижается, поскольку отпадает необходи­мость получения окрашенного раствора. Применяемые в колори­метрии приборы в основном делят на два типа: приборы, в которых проводят визуальное сравнение окрасок рабочего и стандартного растворов; приборы, в которых определяют абсолютные или относительные интенсивности световых потоков, прошедших через раствор.

Известное распространение получили и ленточные фотоколо­риметрические газоанализаторы, в которых взаимодействие опре­деляемого вещества и реагента происходит на бумажных, ткане­вых или полимерных лентах. Ленточные анализаторы имеют пре­имущества перед жидкостными: они более чувствительны, проще в работе, не требуют затрат времени на предварительное приго­товление растворов.

К числу спектральных методов относится также УФ- и ИК-спектроскопия. В УФ-области спектра чаще всего анализируются ароматические соединения, а также неорганические вещества, та­кие, как SО2, NO2 и Hg. По сравнению с колориметрией метод обладает более высокой чувствительностью, однако имеет и недо­статок — низкую селективность. Это связано с тем, что множество органических соединений, загрязняющих воздух, имеют в УФ-об­ласти спектра широкие полосы поглощения, которые могут пре­рываться. Это прежде всего снижает точность измерения, а иногда делает невозможным и анализ многокомпонентных сме­сей.

Метод ИК-спектроскопии позволяет проводить идентификацию и количественно определять многие промышленные загрязнения органического и неорганического происхождения.

Электрохимические методы. По сравнению с физико-химиче­скими методами, получившими развитие в последние годы, элек­трохимические методы несколько утратили свое былое значение. Вместе с тем технические достижения, сравнительная простота и дешевизна приборов, удобство их эксплуатации позволяют ус­пешно применять электрохимические методы на практике. Осо­бенно широкое применение эти методы нашли при систематиче­ском контроле состояния загрязнения атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны, в лабораториях АЭС и лабораториях сети наблюдений Госкомгидромета СССР.

Наибольшее распространение при анализе атмосферных за­грязнений получили кондуктометрические и кулонометрические методы.

Сущность кондуктометрического метода заключается в изме­рении электропроводности анализируемого раствора. Электропро­водность раствора обеспечивается ионами веществ, способных диссоциировать в определенных условиях, и зависит от концентра­ции ионов в растворе и их подвижности. Разработанные на кондуктометрическом принципе газоанализаторы применяют для оп­ределения оксидов газов, серосодержащих соединений, галогенов и галогеноводородов. В зависимости от методики определения и мешающих факторов предел обнаружения по диоксиду серы нахо­дится в интервале значений 0,005—1 мг/м3. Однако серийные кондуктометрические газоанализаторы диоксида серы имеют предел обнаружения 0,02—0,05 мг/м3.

Кулонометрия — безэталонный электрохимический метод срав­нительно-высокой точности и чувствительности. В общем случае метод основан на определении количества электричества, необхо­димого для осуществления электрохимического процесса выделе­ния на электроде или образования в электролите вещества, по ко­торому проводится анализ исследуемой пробы.

Кулонометрические газоанализаторы являются наиболее эф­фективными из всех газоанализаторов, работающих на электрохи­мическом принципе, и позволяют определять в воздухе такие ин­гредиенты, как SO₂, HC1, С1₂, HF, O₃, HCN. В зависимости от конструкции электрохимической ячейки, электронной схемы и со­става поглотительного раствора предел обнаружения по диоксиду серы колеблется от 10 до 100 мкг/м³. Содержание хлора опреде­ляется в области концентраций от 0,02—0,03 до 22—24 мг/м³.

Кулонометрический метод анализа обладает рядом несомнен­ных достоинств: высокой чувствительностью, независимостью по­казаний от факторов, влияющих на результаты измерений другими методами (температуры, состояния поверхности электродов, ин­тенсивности перемешивания и т. д.), широким динамическим диапазоном. К недостат­кам кулонометрических методов можно отнести низкую селектив­ность и необходимость периодической смены электролита.

Геохимическими и гигиеническими исследованиями установлены количественные связи между содержанием металлов в атмосферном воздухе и выпадением их на территории городов, что фиксируются в виде аномалий в почве и снежном покрове - природных средах, депонирующих загрязнения и легко доступных для изучения по любой заранее заданной сети точек отбора проб. Это дает возможность по результатам изучения почв и снежного покрова проводить ориентировочную гигиеническую оценку загрязнения воздушного бассейна.


Лекция № 8

Интегральная оценка качества поверхностных водотоков, атмосферного воздуха, почвы


Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Индекс загрязнения атмосферы (ИЗА).

2. Суммарный показатель нагрузки.

3. Cуммарный показатель загрязнения.

4. Категории опасности загрязнения почв и снежного покрова по суммарному показателю загрязнения.

5. Индекс загрязненности воды (ИЗВ).


Индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) показывает интегральное загрязнение воздушного бассейна различными вредными примесями, формула для расчета этого индекса имеет следующий вид:

, (1)

где, I – индекс загрязнения атмосферы, i – номер вредной примеси, qi – средняя суточная концентрация i-ой вредной примеси в воздухе, ПДКi – предельно допустимая концентрация i-ой примеси в воздухе, Ci – константа, принимающая значения 1,7; 1,3; 1,0; 0,9 для 1, 2, 3, 4 классов опасности вредных веществ соответственно. Константа позволяет привести степень вредности i-го вещества к степени вредности диоксида серы. Обычно, индекс загрязнения атмосферы (I) рассчитывается по пяти загрязнителям: пыль (взвешенные вещества), диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота и формальдегид.

Суммарный показатель нагрузки показывает во сколько раз мас­са химических элементов, выпавших на данной территории больше, чем на фоновых участках. Данный показатель рассчитывается по фор­муле:

(3)

где Pi – масса i-того химического элемента, выпавшего со сне­говой пылью на данной территории, мг/км2 сут; Pфi – масса i-того химического элемента, выпавшего со снеговой пылью на фоновых участках, мг/км2 сут.

Вес химического элемента, выпавшего на единицу площади обс­ледуемой территории за единицу времени определяется по формуле:

Pi = Ci·Pn, (4)

где Сi – концентрация химического элемента в снеговой пыли, мг/кг; Pn – пылевая нагрузка, кг/км2 сут.

Масса химического элемента, выпавшего на фоновой территории, рассчитывалась по формуле: Рф = Сф·Рпф, (5)

где Сф – концентрация химического элемента на фоновом участ­ке, мг/кг; Рпф – величина пылевой нагрузки на фоновой территории, кг/км2 сут.

Прежде, чем определить коэффициент концентрации химическо­го элемента определите его среднее содержание в снеге в каждой точке опробования. Коэффициент концентрации химического эле­мента вычисляется по формуле

Кс = Сср/Сф, (6)

где Сcр – среднее со­держание микроэлемента в снеге (мг/кг); Сф – фоновое значение микроэлемента в снеге (мг/кг) (Василенко, Назаров, Призман, 1985).

4. Техногенные аномалии в снеговой пыли отражают загрязнение атмосферного воздуха. Для показа структуры загрязнения техногенной аномалии используется термин "геохимическая ассоциация". Ассоциация характеризует среднее содержание химических элемен­тов в точке опробования. В состав формулы включите значения, получившиеся для Sr, Ва, Мn, Сr после выполнения второго зада­ния. Цифры при индексах химических элементов в формуле геохими­ческой ассоциации представляют их коэффициенты концентрации.

Для общей количественной характеристики уровня аномальности в каждой точке рассчитывается суммарный показатель загрязнения

, (7)

где Ксi - коэффициент концентрации i-го аномального химического элемента, n - число аномальных элементов, входящих в геохимическую ассоциацию (Ревич, Сает, Смирнова и др., 1982).

Для характеристики геохимических ассоциаций в точке опро­бования необходимо установить определенный "порог аномальности". За нижний порог аномальности приняты значения с коэффици­ентом концентрации, равным 1.5 (Сорокина. 1983). Выделяются следующие пороги аномальности: первый (Zс = 1.5–3.0), второй (Zс = 3.0–10.0), третий (Zс = 10.0–30.0), чет­вертый (Zс = 30.0–100.0), пятый (Zс = 100.0–500.0).

Оценка загрязнения почв и снежного покрова проводится согласно (Методических рекомендаций... 1987) и (Мето­дических указаний..., 1987).

Таблица 10 - Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения почв и снежного покрова по суммарному показателю загрязнения

Уровень загрязнения	Категория загрязнения	Значение суммарного показателя загрязнения		Изменение показателя здоровья населения в очагах загрязнения
		почв	снежного покрова
Низкий	Допустимая	8 – 16	32 – 64	Наиболее низкий уровень заболеваемости детей и минимальная частота встречаемости среднефункциональных отклонений
Средний	Умеренно опасная	16 – 32	64–128	Увеличение общей заболеваемости
Высокий	Опасная	32–128	128–256	Увеличение общей заболеваемости, числа часто болеющих детей, детей с хроническими заболеваниями, нарушениями функционального состояния сердечно-сосудистой системы
Очень высокий	Чрезвыч. опасная	> 128	> 256	Увеличение заболеваемости детского населения, нарушение репродуктивной функции женщин (увеличение токсикоза беременности, числа преждевременных родов, мертворождаемости и гипотрофии новорожденных

Индекс загрязненности воды (ИЗВ) рассчитывается на основе на­блюденных концентраций в j-ом контрольном створе в t-ый период времени – C[j,i,t] ,где i =1,N – индекс ингредиентов, N – количес­тво ингредиентов, наблюдаемых в контрольном створе в t-ый период времени. Расчет ИЗВ в j-ом створе реки, Iz , проводится по форму­ле:

, (13)

где: N1 = 6 – количество выбранных для расчета ингредиентов, из кото­рых обязательными являются растворенный О2 и БПК-5, а ос­тальными – четыре первых ингредиента из ранжированного (по кратности превышения ПДК) убывающего ряда концентра­ций; T – количество значений i-го ингредиента за расчетный период; Cпдк[i] – предельно-допустимая концентрация i-го ингредиента.

Принадлежность качества воды водотока конкретному классу оп­ределяется сопоставлением значения соответствующему интервалу из­менений значений ИЗВ. При этом различают следующие 7 классов:


Таблица 11 - Классификация качества воды по критерию ИЗВ

Iz	Класс качества воды	Характеристика уровня загрязненности
[0,0 ; 0,3)	1	ОЧЕНЬ ЧИСТАЯ
[0,3 ; 1,0)	2	ЧИСТАЯ
[1,0 ; 2,5)	3	УМЕРЕННО-ЗАГРЯЗНЕННАЯ
[2,5 ; 4,0)	4	ЗАГРЯЗНЕННАЯ
[4,0 ; 6,0)	5	ГРЯЗНАЯ
[6,0 ; 10,0)	6	ОЧЕНЬ ГРЯЗНАЯ
>=10,0	7	ЧРЕЗВЫЧАЙНО-ГРЯЗНАЯ

Расчет значений удельного комбинаторного индекса загрязненности (УКИЗ) в j -ом створе реки проводится по следующей формуле:

, (14)


где Cпдк[i] – предельно-допустимая концентрация i-го ингредиента; N[j,i] – количество превышений i-ой концентрацией Cпдк[i] за период наблюдений Т , т.е. количество раз выполнения неравенства:

(15)

Т – общее количество наблюдений в j-ом створе за i-ой концентра­цией ингредиента.

Рассчитанное значение УКИЗ соответствует различным классам качества воды, приве­денными в табл. 12.


Таблица 12 - Классификация качества воды по критерию УКИЗ

Класс качества воды	Описание класса	Величина УКИЗ
1	2	3
2	Очень чистая	( 0.1 )
3	Чистая	1
4	Умеренно- загрязненная	( 1.3 ]
5	Загрязненная	( 3.4 ]
6	Грязная	( 4.10 ]
7	Очень грязная	> 10

Оценка степени загрязнения поверхностных и подземных вод осу­ществляется по различным химическим, физическим и биологическим показателям. Для совокупной оценки опасных уровней загрязнения водоемов используется суммарный показатель химического загрязнения – ПХЗ10, определяемый по 10 максимально превышающим ПДК ве­ществам. Этот показатель особенно эффективен в тех случаях, ког­да химическое загрязнение наблюдается сразу по нескольким ингре­диентам, каждый из которых многократно превышает ПДК. Расчет производится по следующей формуле



где С1- - концентрация химического вещества в воде; ПДК1 - пре­дельные концентрации, установленные для рыбного хозяйства.


Лекция № 9