 |  | |
 УДК 502.1: 502.3 Моделирование динамики запылённости региональной атмосферы как среды жизнедеятельности человека
Волков А.В., доцент, Кашинцева Л.В., доцент, Панин Д.В., магистрант, Силивеева И.В., магистрант, Баранова Е.К., магистрант Тульский государственный университет, Россия
Рассмотрены результаты долгосрочных непрямых замеров массовой концентрации пыли в воздухе Тулы – на фронте загрязнения и в пределах контрольного участка; установлены закономерности сезонного хода величин запылённости воздуха и характера влияния на них метеорологических параметров; сформулированы общие рекомендации по снижению рисков жизни и трудовой деятельности человека в экологически напряжённых условиях.
Приземная атмосфера – важный канал, связывающий человека с окружающей средой, определяющий его здоровье, самочувствие, трудоспособность. Свыше 15 млн. россиян проживают в регионах с низким качеством воздушной среды (рис. 1). Ежегодно регистрируется около 16 000 смертей от заболеваний органов дыхания, причём вклад в смертность неканцерогенных компонентов достигает 90 %. При загрязнении атмосферы на уровне 0,3 мг/м3 и более дополнительная смертность составляет 4-19 % или –4,4 года средней продолжительности жизни. В целом, риск смерти от аэрозольного загрязнения воздуха оценивается как высокий и соизмерим с риском смерти от хронического бронхита и всех несчастных случаев. Поэтому исследования картины пылевого загрязнения атмосферы селитебных территорий актуальны и практически значимы.
Рис. 1 - Численность населения РФ, проживающего в условиях загрязнения приземной атмосферы различными компонентами
В российских городах регистрируется общее содержание аэрозолей и, как правило, отсутствует контроль респирабельной (от лат. respiro – дышу) фракции. На протяжении десятилетий высокие концентрации пыли отмечаются в 50 городах, включая Тулу, – на уровне 0,250 мг/м3 при среднесуточной ПДК = 0,15 мг/м3 (табл. 1, табл. 2). Например, по итогам лета 2018 года Тульская область заняла 75 место – из 85 – в «Экологическом рейтинге субъектов РФ» (ТМК, № 51, 14.09.2018).
Таблица 1 - Характерные величины запылённости приземной атмосферы Тулы и Тульской области (q) и соответствующие им оценкиосаждения пыли на горизонтальный планшет (М)
Таблица 2 - Российские и зарубежные нормативные значения предельного содержания аэрозольных частиц в воздухе селитебных территорий
Целью наших исследований является установление картины аэрозольного загрязнения изучаемых территорий и уточнение общих рекомендаций по её нормализации. Задачи исследований: 1. Получение фактических данных пылевого загрязнения территорий экспериментальным методом. 2. Анализ факторов, определяющих особенности картины загрязнения. 3. Выявление закономерностей формирования картины загрязнения. 4. Уточнение рекомендаций по нормализации экологической ситуации. Направления исследований: техносферная безопасность, безопасность жизни и деятельности населения и персонала предприятий. Метод исследований: весовой метод с использованием горизонтальных планшетов [1]. Решение указанных задач базируется на результатах литературного и патентного поиска, широко используемых на практике методах оперативного определения приземных концентраций пыли, итогах адекватного применения комплекса статистической обработки результатов эксперимента. Сезонный ход интенсивности осаждения пыли (М, мг/м3) на горизонтальные планшеты, размещённые в центре Тулы в районе ЦПКиО им. П.П. Белоусова и одной из загруженных магистралей города (ул. Первомайская), представлен на рис. 2.
Рис. 2 - Интенсивность осаждения пыли на горизонтальные планшеты в 2015 и 2017 годах
Согласно опубликованным данным метеостанции г. Тулы, с 1 января по 21 августа включительно средняя величина среднесуточной температуры воздуха в Туле составила 8,3о С в 2015 году и 7,05о С в 2017 году, а суммы температур – соответственно 1933,9о С и 1642,0о С. Следовательно, и температура, и сумма температур в 2017 году оказались в 1,178 раза ниже, чем в 2015 году. В указанный период времени величина суточной суммы осадков составила 1,43 мм (в 2015 году) и 1,61 мм (в 2017 году), а суммы осадков – соответственно 333,8 мм и 375,5 мм. То есть, в 2017 году данные показатели были выше аналогичных за 2015 год в 1,125 раза. Поскольку, согласно методике расчёта потенциала загрязнения атмосферы (ПРА), температура, в целом, способствует повышению запылённости воздуха, а осадки – его самоочищению, то некоторой мерой различия параметров, производных от температуры и осадков, является коэффициент 1,151 – среднее величин отношений температур и осадков. Указанный индекс считается надёжным количественным показателем состояния воздушного бассейна. Под ПРА понимают совокупность метеорологических условий, характерных для той или иной территории и способствующих как накоплению примесей в атмосфере, так и самоочищению воздуха [2]. Величину ПРА определяют по формуле:
ПРА = (Рш + Рт) / (Ро + Рв),
где Рш – повторяемость дней со скоростью ветра менее 1 м/с; Рт – дней с туманом; Ро – дней с осадками более 0,5 мм/сут; Рв – со скоростью ветра более 6 м/с. В климатологии под повторяемостью какого-либо явления понимают отношение числа случаев со значениями, входящими в данный интервал, к общему числу членов ряда наблюдений. Нормативные значения индекса ПРА представлены на рис. 3.
Рис. 3 - Нормативные значения ПРА и соответствующие им риски БЖД
Как правило, предваряющая количественный анализ процедура ка-чественного оценивания среднегодовой способности атмосферы к самоочи-щение может базироваться на следующих критериях (табл. 3).
Таблица 3 - Критерии качественного оценивания среднегодовой способности атмосферы к самоочищению
Некоторые предварительные статистики рассматриваемых рядов интенсивности выведения пыли на горизонтальный планшет представлены в табл. 4.
Таблица 4 - Статистические характеристики рядов интенсивности осаждения пыли (m) на горизонтальные планшеты в 2015 и 2017 годах
Таким образом, отношение средних величин интенсивности осаждения пыли на планшет для ЦПКиО г. Тулы составляет 1,342, что можно рассматривать как следствие совместного влияния на запылённость атмосферы температуры воздуха и осадков. К тому же, измерения в парковой зоне отражают, скорее, региональный фон мелкодисперсной пыли, на вариациях которого локальные осадки сказываются мало, по сравнению с генерируемой потоком автотранспорта крупнодисперсной пылью. Для точки наблюдения, размещённой вблизи автодороги, отношение средних величин осаждения пыли выше – более контрастно – и составляет 1,871. Иными словами, увеличение суммы осадков за указанный период больше сказывается на генерации крупнодисперсной пыли, чем мелкодисперсной, источники которой могут быть удалёны от точки наблюдения. Эту закономерность отражает уменьшение отношения величин осаждения пыли для дороги и парка с 3,974 в 2015 году (меньше осадков) до 2,851 в 2017 году (больше осадков). Сезонный ход скорости ветра (V) и суточной суммы осадков (Ос) в 2015 и 2017 годах представлен на рис. 4. В целом, различаясь количественно, в своих трендовых компонентах режимы ветровой нагрузки и осадков демонстрируют черты сходства (рис. 5). Это позволяет выдвинуть гипотезу о достаточной устойчивости сезонной картины запылённости приземной атмосферы полидисперсной пылью, тем более, если анализировать эту картину в пределах нескольких лет. Трендовые компоненты интенсивности осаждения пыли на горизонтальные планшеты в центральном районе Тулы в 2015 и 2017 годах представлены на рис. 6.
Рис. 4 - Сравнение сезонного хода скорости ветра и суточной суммы осадков в г. Туле
Рис. 5 - Сезонная динамика трендовых компонент рядов метеорологических элементов, определяющих картину загрязнения приземной атмосферы г. Тулы полидисперсной пылью
Рис. 6 - Сезонная динамика трендовых компонент интенсивности выведения пыли на подстилающую поверхность
В рассматриваемый период года могут быть выделены 2-3 явных максимума запылённости приземной атмосферы, причём довольно устойчивые с точки зрения многолетней динамики (рис. 7).
Рис. 7 - Сезонная динамика трендовых компонент рядов метеорологических элементов в 2015 году
По результатам регистрации интенсивности осаждения пыли в 2015 году могут быть сформулированы следующие закономерности. 1. Максимум осадков совпадает с периодами снижения скорости ветра. 2. Максимум осадков совпадает с периодами минимума запылённости приземной атмосферы. 3. Максимум осадков чуть опережает минимумы запылённости, что можно интерпретировать как формирование картины запылённости региональной атмосферы мелкодисперсной пылью преимущественно за пределами изучаемой территории. Другими словами, непосредственное влияние осадков на самоочищение региональной атмосферы в некоторой степени компенсируется поступлением запылённых воздушных масс из смежных регионов. 4. В формировании картины загрязнения атмосферы региона пылью участвует и скорость ветра: в целом, совпадают максимумы запылённости и максимумы скорости ветра, если это влияние не нарушают осадки. 5. Картина запылённости воздуха, измеренная у дороги, более оперативно реагирует на динамику осадков, что, видимо, связано с быстрым осаждением наиболее крупнодисперсной пыли. Содержание мелкодисперсной пыли в значительной мере контролирует трансграничный перенос воздушных масс. Поэтому картина запылённости воздуха в ЦПКиО реагирует на выпадение осадков менее оперативно. Рис. 8 отражает сезонную динамику трендовых компонент метеорологических элементов в 2017 году, полученную сглаживанием исходных рядов скользящим средним с длиной окна 31 день. В итоге, в силу математических особенностей реализации процедуры сглаживания, длина изучаемой выборки сокращается на 30 позиций: 15 позиций теряется в начале ряда и 15 – в конце ряда. Укажем повторно: на рисунок вынесены не исходные величины рассматриваемых параметров, а величины, являющиеся результатом применения процедуры сглаживания данных. Именно сглаживание позволяет увидеть те закономерности, которые исходно скрывает высокочастотная составляющая любого ряда.
Рис. 8 - Сезонная динамика трендовых компонент рядов метеорологических элементов в 2017 году
Согласно рис. 8, для 2017 года справедливы следующие закономерности.
1. Максимумы осадков и минимумы скорости ветра, в целом, совпадают. 2. Максимум запылённости воздуха в первой половине рассматриваемого интервала времени, а также существенное и долгосрочное её снижение во второй половине интервала определяются сезонным ходом осадков. 3. Максимумы осадков, даже относительно слабые, опережают минимумы запылённости. 4. Влияние скорости ветра выражено иначе, по сравнению с 2015 годом: 4.1. Поскольку в 2017 году скорость ветра была выше, чем в 2015 году, этот фактор, скорее, обеспечивал естественное самоочищение атмосферы, а не формирование региональной картины запылённости: скорость ветра и запылённость находятся в противофазе. Данное заключение опирается на методологию расчета потенциал загрязнения атмосферы, которая относит сильный ветер, как и осадки, именно к факторам самоочищения атмосферы. Кроме того, вполне вероятно, что сильный ветер обеспечивал унос части пыли с планшета, на котором экспонировались бумажные фильтры. Иными словами, в условиях сильного ветра результаты эксперимента могли быть меньше в силу погрешности используемой модификации метода горизонтальных планшетов. 4.2. Поскольку в 2017 году сумма осадков за рассматриваемый период оказалась выше, чем в 2015 году, влияние динамики осадков могло «перекрывать» влияние скорости ветра. Аномальные осадки ливневого типа, отмечавшиеся в конце июня – июле, обеспечили самоочищение атмосферы на долгое время, что нашло отражение в нисходящем тренде запылённости как по результатам замеров в ЦПКиО, так и по результатам замеров вблизи автодороги. 5. Сезонный рост температуры воздуха коррелирует со снижением скорости движения воздуха и увеличением вероятности мощных осадков ливневого типа, обусловленных, в том числе, суточными контрастами температур: чем выше эти контрасты, тем более вероятны именно осадки ливневого типа и связанные с ними явления, такие как грозы, град и шквалистый ветер. Далее уточним эти качественные закономерности расчётом матрицы взаимных корреляций рассматриваемых параметров (табл. 5).
Таблица 5 - Корреляционная матрица параметров регионального климата
Согласно результатам расчёта, сформулированные ранее качественные закономерности следует скорректировать следующим образом. 1. Устанавливается статистически значимая прямая связь между величиной скорости ветра и интенсивностью выведения пыли на планшет для ЦПКиО и участка дороги и в 2015 году, и в 2017 году. Однако при меньших величинах математического ожидания (3,46) и среднего квадратичного отклонения (0,36), характерных для 2015 годы, в предыдущий период эта связь была более сильной по сравнению с 2017 годом. Таким образом, согласно результатам расчёта, ветер действительно участвует в формировании картины запылённости приземной атмосферы тонкодисперсной пылью, однако, по мере роста скорости ветра и величины дисперсии скорости, ветер всё сильнее начинает сказываться как фактор самоочищения атмосферы. 2. Устанавливается обратная связь между осадками и запылённостью приземной атмосферы, причём, чем выше сумма (суточная сумма) осадков, тем влияние этого фактора, всё же, существеннее. 3. Устанавливается мощная прямая связь запылённости приземной атмосферы и в ЦПКиО, и в районе дороги, измеренной в 2015 и в 2017 годах. Иными словами, в аспекте многолетней динамики атмосферы картина её загрязнения пылью действительно устойчива. Подтверждается прямая связь запылённости воздуха и в плане сопоставления двух точек наблюдения – локального фона (ЦПКиО) и локального источника загрязнения (дороги). 4. Устанавливается обратная связь средней за сутки температуры воздуха и запылённости воздуха на изучаемых участках: чем выше температура, тем, в целом, меньше запылённость. Но эта связь опосредована переходом осадков в жидкую фазу, увеличением вероятности мощных осадков ливневого типа, снижением величины скорости ветра, а также увеличением подвижности деятельного слоя грунтов, способствующей их ветровой эрозии – дефляции. Согласно расчётам, чем выше средняя за рассматриваемый период температура (2015 год – 10,6о С, 2017 год – 9,4о С), тем интенсивнее снижается скорость ветра в тёплый период года (2015 год – R = -0,30; 2017 год – R = -0,55). Однако с ростом температурного фона номинально возрастает вероятность ливневых осадков и шквалистых ветров, то есть резких смен режимов погоды. Укажем, что Геологический словарь («Недра», 1973) определяет дефляцию (от лат. deflatio – выдувание) как разрушительную деятельность ветра, выражающуюся в уносе рыхлого геологического материала песчаного и алевритового фракционного состава. Различают дефляцию площадную, снижающую высотные отметки поверхности со скоростью до 3 см в год, и локализованную, в том числе приуроченную к дорогам. Уносимый с поверхности материал либо аккумулируется поблизости от источника пыли, либо вовлекается в дальний перенос и со временем отлагается на любой субстрат. Наиболее сильно дефляция проявляет себя в аридной тропической зоне, но может происходить на любых широтах. 5. Подобно скорости ветра и температуре воздуха, многолетняя динамика осадков также демонстрирует определённую устойчивость. Функция спектральной плотности диагностической части ряда величин осаждения пыли в ЦПКиО г. Тулы в 2017 году, выделенная, как уже отмечалось, с использованием окна Р.В. Хэмминга длиной 31 позиции, представлена на рис. 9. Согласно результатам расчёта спектра, динамика компоненты осаждения пыли определяется модами с периодами 30,57; 19,45; 11,56; 8,56 и 7,13 суток. Главный ритм численно соответствует средней продолжительности месяца: 365/12 = 30,42 суток. Применение процедуры разделения поля на две компоненты – фоновую и диагностическую привело к утрате наиболее низкочастотной моды колебаний (Т ≈ 81,33 суток).
Рис. 9 - Энергетический спектр диагностической части ряда величин осаждения пыли в ЦПКиО г. Тулы в 2017 году
Гистограмма диагностической части ряда величин осаждения пыли в тульском ЦПКиО в 2017 году представлена на рис. 10.
Рис. 10 - Гистограмма изучаемой выборки величин осаждения пыли
Ни расчёт критерия Пирсона, ни критерий, основанный на величине эксцесса, формально не позволяют считать распределение данных нормальным, а потому применять к этим данным критерий «трёх сигм» с целью формального детектирования сезонных аномалий запылённости воздуха. Поэтому дальнейший анализ проводится на качественном уровне. Сезонный ход компонент запылённости воздуха в ЦПКиО Тулы в 2017 году представлен на рис. 11.
Рис. 11 - Ход фоновой и диагностической компонент ряда величин запылённости приземной атмосферы в районе ЦПКиО в 2017 году
Согласно рис. 11, мощные осадки июня – июля 2017 года не только формируют долгосрочный нисходящий тренд снижения запылённости воздуха в центральном районе Тулы, но и снижают дисперсию (амплитуду колебаний) диагностической части ряда. На обсуждаемых ранее интервалах повышения запылённости воздуха возрастают и величина фона, и величина дисперсии диагностической компоненты ряда. Ход компонент для точки наблюдения, размещённой вблизи дороги (Тула, ул. Первомайская) представлен на рис. 12. Рис. 12 свидетельствует, что мощные осадки лета 2017 года вновь снижают и величину фона, и величину дисперсии диагностической части рассматриваемой компоненты ряда. Спектр исходного (полного) ряда величин интенсивности осаждения пыли на планшет, установленный вблизи дороги, представлен на рис. 13.
Рис. 12 - Ход фоновой и диагностической компонент ряда величин запылённости приземной атмосферы в районе ул. Первомайская г. Тулы в 2017 году
Рис. 13 - Энергетический спектр диагностической части ряда величин осаждения пыли вблизи ул. Первомайская г. Тулы в 2017 году
В данном спектре наибольшая энергия приходится на компоненты с периодами Т = 81,33 дней, Т = (30,5+ 34,86) дней, Т = 10,61 дней и, возможно, Т = (6,97+7,63) дней. Гипотеза о нормальном распределении величин изучаемой выборки вновь формального подтверждения не получает. Результаты спектрального анализа, приведённые на рис. 13, позволяют сформировать линейную модель диагностической части величин осаждения пыли в ЦПКиО в 2017 году. Значения коэффициентов данной модели представлены в табл. 6.
Таблица 6 - Значения коэффициентов линейной модели, позволяющей выполнить прогноз осаждения пыли на планшет
В модели учитывались величины периодов колебательных мод 81,33; 30,57; 19,45; 11,575 и 8,56 в форме коэффициента вида 2π/8,56 = 0,734 (на примере пятого слагаемого). Таким образом, модель диагностической части величин осаждения пыли в ЦПКиО в 2017 году имеет вид:
Пыль [мг/м2∙с] = A1∙cos(0,133579∙d + 0,425667)∙cos(0,07726∙d + B1) + A2∙cos(0,20553∙d + B2) + A3∙cos(–0,342312∙d – 6,6415)∙cos(0,32304∙d + B3) + + A4∙cos(–0,35439∙d + 7,348765)∙cos(0,54283∙d + B4) + + A5∙cos(0,73402∙d + B5) + C.
Сравнение хода фактических и модельных данных (R = 0,678), а также прогнозная часть модельного ряда показаны на рис. 14. Возможно, более адекватный, с позиции детальности формального описания данных, результат обеспечивает раздельное приближение линейной моделью трендовой части ряда и диагностической части ряда и только по последним 30-40 позициям диагностической компоненты. Однако, даже с учётом существенной дисперсии значений рассматриваемого ряда и наличия участка грубой интерполяцией пропущенных значений, представленная модель отражает сезонные закономерности осаждений пыли в Тульской области, по-видимому, воспроизводящиеся из года в год. В частности, модель допускает наличие третьего максимума запылённости атмосферы – в сентябре – начале ноября. Далее затяжные осадки октября – ноября формируют минимум запылённости. Но переход осадков в твёрдую фазу и снижение их интенсивности вновь обеспечивает рост запылённости приземной атмосферы.
Рис. 14 - Применение линейной модели для формального описания и прогноза интенсивности осаждения пыли на горизонтальный планшет, установленный в ЦПКиО г. Тулы (2017 год)
Наличие устойчивых сезонных закономерностей загрязнения приземной атмосферы инертной пылью позволяет формулировать задачу адаптации типовых мероприятий по снижению запылённости промышленных и урбанизированных территорий с учётом характеристик конкретной местности и типа реализуемых технологий (Единые правила безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом, 2002; Санитарные правила для предприятий по добыче и обогащению рудных, нерудных и россыпных полезных ископаемых, 2011). Например, правилами рекомендуется применение следующих мероприятий: • орошение горной массы и дорог с постоянным движением, в т.ч. с применением связующих добавок; • очистка дорог от породной мелочи и пыли; • обработка гравийных и щебеночных покрытий вяжущими материалами; • предотвращение просыпания сыпучих материалов; • герметизация кабин и помещений; • применение индивидуальных средства защиты органов дыхания. Основными способами закрепления нарушенных грунтов являются: • аэродинамический (организация лесозащитных полос); • технологический (внесение в грунт реагента, способного связать частицы); • механический (нанесение на поверхность грунта щебня мощностью 20 см); • гидротехнический (гидрозавесы, перехватывающей взвешенные частицы; увлажнение поверхности оросительными установками); • биологический (посев многолетних трав и кустарников); • химический (изменение свойств грунтов путем добавления вяжущих веществ – сапропеля, биогумуса, полимеров с одновременным внесением семян многолетних трав). Однако радикальное решение проблемы пыления грунтов промышленных и урбанизированных территорий связывают с рекультивация отработанных участков. Таким образом, в работе рассмотрены результаты долгосрочных непрямых параллельных замеров массовой концентрации инертной пыли в воздухе г. Тулы – на фронте загрязнения и в пределах контрольного участка; установлены закономерности сезонного хода величин запылённости воздуха и характера влияния на них ряда метеорологических параметров; сформулированы общие (типовые) рекомендации по снижению рисков жизни и трудовой деятельности человека в экологически напряжённых условиях.
Библиографический список 1. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 448 с. 2. Сегелей Т. С., Юрченко И. П. Потенциал рассеивающей способности атмосферы// Известия РАН. Серия географическая. 1990, № 2, с. 132.
| ||
 |  |
#menuinclude(1-elibraryru)