Стольберг Ф.В. Экология города (урбоэкология)

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 4. Воздушная среда города

211

Необходимое количество постов устанавливается в зависимости от чис-

ленности населения, площади населенного пункта, рельефа местности, осо-

бенностей размещения и уровня развития промышленных предприятий, рас-

положения магистралей с интенсивным движением, расположения мест от-

дыха и курортных зон, метеоусловий.

Оптимальное количество постов, обеспечивающих минимальные затраты

при заданной погрешности наблюдений в зависимости от численности населе-

ния города, следующее: до 50 тыс. жителей — 1 пост; до 100 тыс. — 2 поста;

100—200 тыс. — 2—3 поста; 200—500 тыс. — 3—5 постов; более 500 тыс. — 5—10

постов; более 1 млн жителей — 10—20 стационарных и маршрутных постов.

Расстояние между стационарными постами составляет от 0,5 до 5 км.

Уровень загрязнения атмосферы оценивается по данным наблюдений за

год. При этом количество наблюдений должно быть не менее 200. Чтобы учесть

колебания метеорологических условий и получить более достоверные сведе-

ния об уровне загрязнения используются данные наблюдений за период 2—5

лет. Общее число наблюдений за рассматриваемый период — не менее 800.

Перечень веществ, подлежащих контролю, определяется по составу вы-

бросов предприятий города. Далее оценивается возможность превышения ПДК

этих веществ. Окончательно список веществ, подлежащих контролю, уточня-

ется по величине параметра потребления воздуха (ПВ). Этот показатель ха-

рактеризует расход воздуха, необходимый для разбавления выбросов z'-го ве-

щества Л/, до уровня концентрации q

или до уровня ПДК

Реальный ПВ: ПВ

[

= MJq

Требуемый ПВ: ПВ

= М./ПДК,

где М. — суммарное количество выбросов /-ой примеси от всех источников,

расположенных на территории города, т/год; q

— концентрация /-ой приме-

си, установленная по данным расчетов или наблюдений, мг/м

Если ПВ

. > ПВ. , то ожидаемая концентрация примеси в воздухе может

быть равна ПДК или превысит ее и, следовательно, /-ая примесь должна

контролироваться.

Дополнительно в обязательный список контролируемых веществ вклю-

чаются: бенз(а)пирен растворимые сульфаты — в городах с населением более

100 тыс. жителей; формальдегид и соединения свинца — в городах с населе-

нием более 500 тыс. жителей; металлы — в городах с предприятиями черной

и цветной металлургии; пестициды — в городах, расположенных вблизи сель-

скохозяйственных территорий. Перечень контролируемых веществ пересмат-

ривается не реже одного раза в 3 года.

При подфакельных наблюдениях выполняется контроль за специфи-

ческими загрязняющими веществами, характерными для выбросов данно-

го предприятия.

212

Экология города

4.5.2. Методы контроля и приборы для измерения

концентрации примесей в атмосфере

и в промышленных выбросах

Контроль концентрации примесей сводится к отбору пробы воздуха или

дымового газа, подготовке и проведению анализов отобранных проб, обра-

ботке и обобщению результатов анализов.

Используются следующие режимы отбора проб:

• разовый, продолжительностью 20—30 мин;

• дискретный, при котором в один поглотительный прибор или фильтр

через равные промежутки времени в течение суток отбирают несколько

разовых проб;

• суточный, при котором в один поглотительный прибор или фильтр про-

изводится отбор проб в течение суток непрерывно.

Отбор проб осуществляется путем аспирации определенного объема воз-

духа через поглотительный прибор, заполненный жидким или твердым сор-

бентом для улавливания газообразного вещества, или аэрозольный фильтр,

задерживающий твердые частицы. Тип поглотительного прибора, расход воз-

духа и продолжительность его аспирации устанавливаются в зависимости от

контролируемого вещества.

При определении приземной концентрации примеси в атмосфере отбор

проб проводится на высоте 1,5—2 м от поверхности земли.

Для отбора проб используются электроаспираторы (рис. 4.17), снабжен-

ные автономным источником питания.

Рис. 4.17. Принципиальная схема электроаспиратора:

1 — ротационный насос; 2 - ротаметры; 3 - регулирующие вентили; 4 - реле времени

Для контроля содержания твердых частиц и аэрозолей используются гра-

виметрический (весовой) и оптический методы анализов.

Гравиметрический (весовой) метод заключается в выделении частиц пыли

из пылегазового потока путем прокачивания его через фильтр. Масса пыли,

Раздел 4. Воздушная среда города

213

находящаяся в исследуемом потоке газа, определяется как разница веса фильтра

до и после анализа.

Концентрация пыли определяется по формуле: С = m/Qx, мг/м

где т — масса п^обы пыли, мг; Q — расход воздуха, пропущенного через

пробоотборное устройство, м

/с; т — время отбора пробы, с.

Весовой метод позволяет получить концентрацию пыли без учета ее хи-

мического и дисперсного состава.

Оптический метод основан на определении непрозрачности (дымности)

воздуха или дымовых газов. Метод основан на просвечивании газов с после-

дующим преобразованием оптического сигнала в электрический, проведении

коррекции показателя по заданному алгоритму ослабления светового луча и

преобразования его в показатель непрозрачности (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Принципиальная схема измерителя непрозрачности:

1 — источник света; 2 — электрическая лампочка; 3 — объектив; 4 — защитное стекло;

5 — светоприемник; 6 — фотодиод; 7 — линза; 8 — блок преобразования информации;

9 — цифровой вольтметр; 10 — блок питания

Непрерывный контроль содержания вредных примесей в воздухе произ-

водится с помощью газоанализаторов типа УГ-2, ГХ-2 и др., принцип работы

которых основан на линейноколористическом методе анализа.

При просасывании воздуха через индикаторные трубки газоанализатора,

заполненные твердым веществом-поглотителем, происходит изменение ок-

раски индикаторного порошка. Длина окрашенного слоя пропорциональна

концентрации исследуемого вещества. Газовый анализатор УГ-2 позволяет

определять концентрацию 16 различных газов и паров с погрешностью, не

превышающей ± 10% от верхнего предела каждой шкалы.

В термокондуктометрическом газоанализаторе используют отличие теп-

лопроводности анализируемого компонента от теплопроводности других ком-

понентов. При наличии в дымовых газах примесей, близких по теплопровод-

ности к определяемой, их удаляют из анализируемой пробы путем поглоще-

ния или сжигания.

Термохимические газоанализаторы применяются для анализа горючих

компонентов газовой смеси. С их помощью определяют более 100 наимено-

ваний горючих газов, паров и их смесей.

214

Экология города

Работа термомагнитных газоанализаторов основана на движении в не-

однородном магнитном поле при наличии температурного градиента па-

рамагнитных частиц — молекул кислорода и оксидов азота. Это явление

называется термомагнитной конвекцией. Изменения температуры, давле-

ния и расхода анализируемой газовой смеси могут оказывать влияние на

результаты измерения.

Принцип действия оптических газоанализаторов основан на особеннос-

тях поглощения — излучения отдельных компонентов газовой смеси. К ним

относятся газоанализаторы оптико-акустические, фотоколометрические, хе-

милюминесцентные и лазерные.

В оптико-акустических газоанализаторах, предназначенных для анализа

многоатомных газов, используются свойства газов поглощать лучистую энер-

гию при определенных длинах волн, соответствующих их полосам спектра

поглощения. Амплитуда колебаний зависит от концентрации анализируемо-

го компонента в измерительной камере.

В хемилюминесцентных газоанализаторах используется зависимость ин-

тенсивности люминесцентного излучения, возникающего в результате хими-

ческой реакции анализируемого компонента с реагентом, от концентрации

этого компонента. Применяются для измерения очень малых концентраций

, NO

и других веществ.

Лазерный газоанализатор использует особенности поглощения метаном

излучения при длине волны, совпадающей с одной из длин волн спектра

излучения метана.

В электрохимических газоанализаторах выходной сигнал зависит от

электрохимических явлений, протекающих в электродных системах при

наличии анализируемого компонента. Из электрохимических наибольшее

распространение получили вольтамперометрические и кулонометрические

газоанализаторы.

В вольтамперометрических газоанализаторах значение тока в электродной

цепи зависит от содержания деполяризующего компонента, например, кис-

лорода, в щелочном гальваническом элементе.

В кулонометрических газоанализаторах содержание анализируемого ком-

понента определяется по количеству электричества, израсходованного при

электролизе вещества, вступающего в реакцию с анализируемым. Значение

тока, при котором обеспечивается нейтрализация раствора с анализируемым

компонентом, и служит величиной концентрации этого компонента.

К электрохимическим может быть отнесен и плазменно-ионизационный

газоанализатор, в котором концентрация анализируемого комплекса опреде-

ляется по ионизационному току, образующемуся в водородном пламени вслед-

ствие ионизации молекул органических соединений. *

Хроматографы относятся к анализаторам, которые могут проводить од-

новременно качественный и количественный анализ газообразных и жидких

сред. Принцип действия основан на разделении газовых смесей на отдельные

компоненты при движении вдоль поверхности сорбента, последующей иден-

Раздел 4. Воздушная среда города

215

тификации компонентов и определения их содержания в смеси. Этот метод

может быть использован для определения содержания любых газов с концен-

трацией до 10"

— 10"

%. Хроматографы — приборы периодического действия

с временем анализа 10—20 минут.

Качественный и количественный анализ может одновременно проводиться

на масс-спектрометрах с разделением ионов по времени пролета. Эти более

сложные, чем хроматографы, приборы обеспечивают непрерывное измере-

ние состава газовоздушной смеси.

4.5.3. Статистические характеристики загрязнения

атмосферы населенных пунктов

Статистические характеристики загрязнения атмосферы населенных пун-

ктов определяются на основе систематизации и обработки наблюдений.

Среднее арифметическое значение концентрации примеси ~q

— среднесу-

точные, среднемесячные, среднегодовые, средние многолетние концент-

рации примесей, которые определяются по данным стационарных постов,

подфакельных наблюдений, по совокупности точек отбора проб города и

группы городов:

где п — число разовых концентраций, измеренных за соответствующий

период.

Среднее квадратичное отклонение а результатов измерений от среднего

арифметического: среднегодовых концентраций на постах от среднегодовой

и средней многолетней концентрации по городу; разовых концентраций от

среднегодовой концентрации по городу (району); среднегодовых концентра-

ций для города от среднегодовой концентрации для группы городов; макси-

мальных концентраций примеси для города за год от средней из максималь-

ных концентраций примеси за год; разовых (среднесуточных) концентраций

от среднемесячной и среднегодовой, среднемесячной — от среднегодовой и

средней многолетней; среднегодовой — от средней многолетней:

Коэффициент вариации, показывающий степень изменчивости концент-

раций примеси: V = o/q, где q — средняя концентрация.

Максимальное значение концентрации примеси. Определяется максималь-

ная из разовых, среднемесячных, среднесуточных, среднегодовых концентра-

ций из малого числа наблюдений, а также максимальная из разовых концен-

траций по данным подфакельных наблюдений.

= X q

/n , мг/м

i=l

216

Экология города

Выбираются наибольшие значения из убывающего вариационного ряда

соответствующих концентраций за рассматриваемый период.

Средняя из максимальных концентраций за год по группе городов:

Ям = у X q

где L — количество рассматриваемых городов.

Максимальная концентрация примеси с заданной вероятностью ее превы-

шения определяется из предположения логарифмически нормального распре-

деления концентраций примесей в атмосфере для заданной вероятности ее

превышения:

qj = qexp z л/ln (1 + У

)/л\\ + V

где ~q — средняя концентрация; при Р=0,1% z=3,08; P=l% z=2,33; Р=5% z=l,65.

Индексы загрязнения атмосферы (ИЗА) — количественная характеристика

уровня загрязнения атмосферы отдельной примесью, учитывающая различие

в скорости возрастания степени вредности веществ, приведенной к вреднос-

ти диоксида серы, по мере увеличения превышения ПДК: /. = (q/ПДК

Са

)

где С

(

— константа, принимающая значения 1,7; 1,3; 1,0; 0,9 для соответ-

ственно 1, 2, 3 и 4-го классов опасности веществ, позволяющая привести

степень вредности /-го вещества к степени вредности диоксида серы.

Комплексный индекс загрязнения атмосферы города (КИЗА) — количествен-

ная характеристика уровня загрязнения атмосферы, создаваемого п вещества-

ми, присутствующими в атмосфере города (или района города):

I =Х/ ,

I '

/=/

где п — количество рассматриваемых примесей (может включать в себя все

загрязняющие вещества, присутствующие в атмосфере города, или только

приоритетные вещества, определяющие состояние атмосферы).

Используется для сравнения степени загрязнения атмосферы в различ-

ных городах и регионах.

Фоновая концентрация — статистически достоверная максимальная кон-

центрация, С

, мг/м

. Она является характеристикой загрязнения атмосферы

и определяется как значение концентрации, которое превышается не более

чем в 5% случаев от общего количества наблюдений.

Фоновая концентрация характеризует суммарную концентрацию, созда-

ваемую всеми источниками, расположенными на данной территории.

При отсутствии необходимых данных наблюдений фоновая концентра-

ция может быть определена расчетным путем. Определение С

для каждого

поста наблюдений производится по данным за период от 2 до 5 лет.

Раздел 4. Воздушная среда города

217

С целью повышения достоверности расчета С

необходимо выбрать такой

период наблюдений, в течение которого существенно не изменялся характер

застройки в районе наблюдательного поста, не происходило существенных

изменений в характеристиках промышленных выбросов в радиусе 5 км от по-

ста, не менялось расположение самого поста, а отбор и анализ проб произво-

дился по одним и тем же методикам. При этом, как уже отмечалось, число

наблюдений в течение года должно быть не менее 200 по каждому веществу,

а общее число наблюдений за выбранный период — не менее 800.

Для определения С

могут быть использованы данные как стационарных,

так и подфакельных постов наблюдений. В результате обработки данных для

каждого поста по всему массиву результатов наблюдений находят величины

ф1

, где /= 0; 1; 2; 3; 4, соответствующие различным градациям направления

а и скорости ветра w (табл. 4.7).

Таблица 4.7. Значения / в зависимости от скорости и направления ветра

Румбы

любой

В Ю 3

десятки градусов любые 32-4 5-13

14-22

23-31

W, м/с 0-2 3 -- w'

/ 0

1 2 3

Верхняя граница скорости ветра w' определяется из условия, что ско-

рость ветра в данном месте w> w* встречается в 5% случаев.

При определении для каждой из пяти градаций скорости и направления

ветра значения концентраций q

(к — номер концентрации в /-ой градации)

вписываются в таблицу, после чего определяется число наблюдений в каждой

градации л., которое для дальнейшей обработки должно быть не менее 100.

Если л. <100, то значение С

. считается ориентировочным.

Данные подфакельных наблюдений группируются по зонам соответственно

расстояниям от источника выбросов. Количество наблюдений в каждой зоне

должно быть не менее 200. Данные для каждой зоны делятся на две градации

по скорости ветра. При скорости ветра 0—2 м/с i = 0. При скоростях ветра от

3 до w' м/с / равно от 1 до 4.

Отдается предпочтение С

, полученным по подфакельным измерениям,

для тех участков города, где их величины больше, чем С

, рассчитанные по

данным наблюдений на стационарных постах.

Фоновая концентрация С

ф1

может определяться одним из статистических

расчетных методов либо графически.

Для проведения оценки величины различий С

для пяти градаций рас-

считываются значения С и С — соответственно среднее по всем градациям и

среднее по всем градациям значение фоновой концентрации, кроме i = 0:

218

Экология города

_ 4 /4

с = X c^njYu п. ,

/=0

/ =0

_ 4

где С = л. — сумма пяти произведений С^. для каждой градации на

/ =о количество измерений в данной градации п.;

4 /4

с = X л./Х .

/=1 ' /=1

Если максимальное и минимальное значения при / = 0; 1; 2; 3; 4

удовлетворяют неравенству:

- С| < 0,25С, (4.5)

то для такого поста в качестве С

принимается значение С независимо от

направления и скорости ветра.

Если условия (4.5) не выполняются, но минимальное и максимальное

значения С

. при /' = 0; 1; 2; 3; 4 удовлетворяют неравенству:

\С

, ~С\< 0,25С, (4.6)

то для данного поста детализация С

по направлениям ветра не производится

и в качестве С

ф1

в градации скорости ветра 0-2 м/с принимаются значения

фо

, а в градации скорости ветра от 3 м/с до w' — значение С.

Когда условия (4.5) и (4.6) не выполняются,^ представляется пятью зна-

чениями.

Для учета суммации вредного действия нескольких загрязняющих веществ

допускается определение единой величины С

по этим веществам. При этом

для каждого пункта наблюдения и момента времени концентрация п веществ

приводится к концентрации наиболее распространенного из них вещества.

Например, при суммации воздействия S0

и N0

ж>

= +

м.р

м р

Дальнейшая обработка результатов проводится так же, как и в случае

одного вещества.

При проектировании промышленных предприятий и установлении ПДВ

данные о распределении фоновой концентрации по территории населенного

пункта представляются в табличной форме.

В отдельных случаях можно ограничиться средним значением С

по го-

роду. Для этого вычисляется среднее значение С

. по городу для каждой гра-

дации скорости и направления ветра. Для тех постов, на которых в рассмат-

риваемой градации С

ф:

отличается от среднего по городу менее, чем на 25%,

оно заменяется на среднюю по городу величину С...

Раздел 4. Воздушная среда города 219

При установлении ПДВ для реконструируемых или действующих пред-

приятий исключение из С

вклада рассматриваемого предприятия произво-

дится по формуле:

€>

= С

(\-0,4С/С

) при С < С

С'

=0,2С

при С> С

где С'

— фоновая концентрация без учета рассматриваемого предприятия;

С — максимальная концентрация, создаваемая предприятием в точке разме-

щения поста.

4.6. Выполнение требований международных

конвенций по защите атмосферы

Защита озонового слоя. Озон, содержащийся в атмосфере преимущественно

на высоте 10—50 км, служит своеобразным щитом, предохраняющим живые

организмы от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Установлено,

что концентрация озона над отдельными территориями Земли периодически

уменьшается. Такие явления получили название "озоновые дыры". Суще-

ствует две гипотезы образования "озоновых дыр". Согласно первой, которая

в настоящее время получила наибольшее признание, уменьшение содержа-

ния озоновых частиц в атмосфере связано с воздействием так называемых

озоноразрушающих веществ, к которым относятся хлорфторуглероды (ХФУ),

бромфторуглероды (БФУ), а также оксиды азота и углерода. В разрушении

озонового слоя подозревается еще целый ряд веществ. По второй гипотезе

мерцание озоносферы вызвано природными еще непознанными процессами.

Такой точки зрения придерживается небольшое число исследователей. В этом

направлении ведутся интенсивные поиски, которые в случае успеха могут

дать колоссальный экономический эффект.

Поскольку первая гипотеза в настоящее время является превалирующей,

усилия международного сообщества направлены на замену озоноразрушаю-

щих веществ "озонобезопасными", что связано со значительными затратами

на изменение технологии производства группы химических продуктов, ис-

пользуемых в качестве хладагентов в холодильной промышленности, в каче-

стве пропелентов в аэрозольных баллончиках и для пожаротушения.

В соответствии с Венской конвенцией об охране озонового слоя (1985), к

которой Украина присоединилась в 1986 г., а также ряда Протоколов к этой

конвенции к 2000 году все страны-участницы Конвенции должны прекратить

производство и использование практически всех озоноразрушающих средств.

Собственного производства ХФУ Украина не имеет. Потребности промыш-

ленности в этих веществах обеспечиваются поставками из России. Основными

потребителями ХФУ являются Донецкий и Симферопольский заводы бытовой

химии, которые выпускают продукцию в аэрозольных упаковках (годовое

220

Экология города

потребление ХФУ — 3060 т), а также предприятия по выпуску холодильной

техники (годовое потребление ХФУ — 4200 т). ХФУ используются также при

пожаротушении — потребление 40 т/год. На Донецком и Симферопольском

заводах взамен ХФУ в качестве распылителя (пропелента) применяется смесь

пропана и бутана. В дальнейшем предполагается переход на беспропелент-

ный тип упаковок с распылением при помощи встроенных мининасосов.

Наблюдение за состоянием озонового слоя ведется в Украине на шести

озонометрических станциях, расположенных в городах Борисполе, Киеве,

Львове, Прилуках, Симферополе, Тернополе.

Предотвращение глобального изменения климата. Как уже отмечалось

(разд. 4.1.1), одной из функций атмосферы является защита планеты от ох-

лаждения и регулирование климата. Пропуская солнечную радиацию, атмо-

сфера задерживает отражение тепла от поверхности земли. Установлено (Ар-

рениус, Кирхгоф и др.), что углекислый газ в значительной мере поглощает

инфракрасное тепловое излучение.

Научно-технический прогресс способствовал нарастанию содержания уг-

лекислого газа в атмосфере за последние 100 лет на 20—30%, что привело, по

мнению ученых, к повышению глобальной средней температуры в приземном

слое на 0,3—0,6° С. В связи с дальнейшим накоплением в атмосфере углекис-

лого и других парниковых газов (оксиды азота, водяной пар и др.) к середине

XXI ст. ожидается повышение глобальной температуры на 1,5—2,5° С.

В 1992 году Украина присоединилась к Рамочной конвенции ООН об

изменении климата. Одним из требований конвенции является разработка и

осуществление мероприятий, направленных на приостановление потепления

путем сокращения использования топливно-энергетических ресурсов и ши-

рокого внедрения установок солнечной и ветровой энергии, а также других

видов энергетических ресурсов, не загрязняющих атмосферу. Это должно

обеспечить сокращение выбросов оксида углерода и других парниковых га-

зов в первом десятилетии XXI века на 10—11%.

Украина присоединилась к международным Протоколам по сокращению

выбросов серы (1995 и 1999), действие которых направлено на ограничение

выпадения кислотных дождей. Это достигается тем же комплексом мер, на-

правленных на сокращение вредных выбросов в атмосферу. Страны-участни-

ки этих международных соглашений обязались сократить выбросы соедине-

ний серы в ближайшие десятилетия примерно на 30%.

4.7. Микроклимат городской среды

Архитектурно-планировочные и техногенные особенности городской

территории способствуют формированию местного климата, отличного от

климата пригородной территории (табл. 4.8). В промзон&х, на отдельных

улицах, кварталах, площадях, парках и т.п. создаются свои особые микро-

климатические условия, определяемые городской застройкой, наличием

промышленных предприятий, почвенным покрытием, распределением зе-

леных насаждений и водоемов.