Стурман В.И. Экологическое картографирование

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.

16. Пропорциональное изображение степени токсичности выбро-

сов предприятий (условные площади, которые бы заняли объемы

воздуха, необходимые для разбавления промышленных выбросов [54]):

Состав выбросов: 1 — окислы азота; 2 — смесь углеводорода; 3 — пыль; 4 — окись

свинца; 5 — бенз(а)пирен; 6 — эффект суммации веществ: окись углерода + окис-

лы азота + сернистый ангидрид.

Практическая работа 3

Цель работы — научиться экологически грамотно и географи-

чески корректно представлять данные о техногенных воздействиях

на атмосферный воздух.

Материалы для работы:

Данные о выбросах загрязняющих веществ по городам ре-

гиона.

2. Таблица величин ПДК основных загрязняющих веществ

(имеются в большинстве учебников и учебных пособий по

экологии, геоэкологии, природопользованию).

Контурная карта

на

территорию региона, города.

4. Калькуляторы, чертежные принадлежности.

Задание:

По

данным

суммарных выбросах отдельных загрязняю-

щих веществ

по

крупным предприятиям, городам

адми-

нистративным районам вычислить приведенные

(к

диок-

сиду серы) выбросы отдельных веществ

сумм веществ,

в условных тоннах. Коэффициенты приведения

для

неко-

торых распространенных веществ (исходя

из

соотношений

ПДК

сс

оксид углерода

— 0,017;

взвешенные вещества

—

0,33;

аммиак

— 0,33;

сероводород

— 0,625;

диоксид азо-

та —

1,25;

формальдегид

— 16,67;

фенол

— 16,67; 3,4

бенз-

(а)пирен

- 50 000.

учетом диапазона колебаний объемов выбросов

регионе

разработать шкалу размеров значков (абсолютную

или ус-

ловную, непрерывную

или

ступенчатую)

построить кар-

ту

использованием структурных значков

(по

городам

или

предприятиям)

или

круговых секторных картодиаграмм

(по

административным районам).

4.1.4.

Картографирование уровней загрязнения

атмосферы

Показатели загрязнения атмосферного воздуха.

Они мо-

гут быть подразделены

на

поингредиентные (частные)

инте-

гральные (комплексные). Поингредиентные показатели включа-

ют: абсолютные значения концентраций поллютантов

мг/м

, зна-

чения, нормированные

на ПДК

(ПДК

мр

или

ПДК

сс

), показатели

повторяемости превышений

ПДК в

процентах.

справочной

ли-

тературе (Ежегодники состояния загрязнения атмосферы городов

России

[58])

используются следующие поингредиентные харак-

теристики:

•

—средняя концентрация примеси

воздухе;

•

—

наибольшая наблюдавшаяся концентрация примеси

воздухе;

•

— повторяемость разовых концентраций выше

ПДК;

•

—

повторяемость разовых концентраций выше

5 ПДК;

•

—

повторяемость разовых концентраций выше

10 ПДК.

Основным, наиболее употребительным, интегральным пока-

зателем является индекс загрязнения атмосферы (ИЗА):

ЕСА

'ПДК

где

cpi

—

среднегодовая концентрация

i-ro

вещества; ПДК

сс|

—

среднесуточная предельно допустимая концентрация

i-ro

вещества;

к. — безразмерная константа (показатель степени), позволяющая

учесть различия

степени опасности отдельных веществ,

при-

нимающая значения:

1,7 для

веществ

1-го

класса опасности;

1,3

для веществ

2-го

класса опасности;

1,0 для

веществ

3-го

класса

опасности;

0,9 для

веществ

4-го

класса опасности

[128J.

Картографирование уровней загрязнения атмосферы выполня-

ется

для

разных временных интервалов.

Долговременное (осредненное

за

длительный период)

за-

грязнение воздуха.

Оно

может быть охарактеризовано

по

пря-

мым

или

косвенным данным.

Картографирование

по

прямым данным наблюдений

на

стаци-

онарных постах дает наиболее точную количественную характери-

стику загрязнения,

но

степень

ее

детальности лимитируется

ма-

лым числом таких постов.

Российской Федерации

по

состоянию

на

1995 г.

такие наблюдения велись

на 664

постах

в 284

городах

[173], главным образом силами территориальных подразделений

Росгидромета.

Число постов

городах зависит

от их

населения

объемов про-

мышленных выбросов

составляет

от 1 до 10—20.

Из-за ограни-

ченности числа постов

при

картографировании

по

прямым дан-

ным интерполяция выполняется схематично, практически

без

учета

планировочной структуры городов

(см. рис. 3).

Необходимо также

отметить,

что

сопоставление характеристик загрязнения

по

раз-

ным постам

не

всегда бывает корректным вследствие разнообра-

зия условий размещения постов. Посты могут размещаться вблизи

предприятий

промышленных

зон, на

автомагистралях,

жилых

и зеленых зонах

и т.д.,

причем количество функциональных

зон

каждого типа намного превышает число приуроченных

к ним по-

стов.

Это

позволяет решить задачу получения общегородских

ха-

рактеристик, дифференцированных

по

функциональным зонам,

но делает весьма проблематичной возможность интерполяции между

постами. Расстояние между постами

городах обычно бывает

по-

рядка километров,

функциональные зоны между ними сменяют

друг друга неоднократно.

Косвенными данными, позволяющими оценивать долговремен-

ное загрязнение воздуха, являются материалы лихеноиндикации

(см.

раздел

4.6.2), а

также результаты картографирования загряз-

нения почв. Твердые вещества, загрязняющие почвы,

газообраз-

ные соединения, загрязняющие атмосферу, часто выделяются

из

одних

и тех же

источников. Возможность оценки уровня загрязне-

ния атмосферы,

по

данным изучения загрязненности депонирую-

щих компонентов среды хорошо известна

[34] и

вошла

Руковод-

ство

по

контролю загрязнения атмосферы

[128] (п. 3.4.6.

«Косвен-

ные методы исследования уровня загрязнения атмосферы»).

На основе сопоставления многолетних данных

загрязнении

атмосферного воздуха

по

данным стационарных постов

(37

пунк-

тов

в 8

городах России

Украины)

и о

загрязнении почв

бли-

жайших пунктах, опробованных

при

эколого-геохимических съем-

ках, было получено уравнение, связывающее значения суммарного

показателя загрязнения почв

индексы загрязнения атмосфе-

ры (учитывающие оксиды азота, серы, углерода

пыль) [152]:

ИЗА

3,466Z

123

(г = 0,556).

При наличии материалов эколого-геохимических исследова-

ний данная формула позволяет проводить оценочное картогра-

фирование уровней загрязнения атмосферы

высокой степенью

детальности.

При

этом расчетные значения

ИЗА не

должны опре-

деляться

для

точек, геохимическое загрязнение которых обуслов-

лено твердыми отходами (вейстогенные аномалии)

или

осажде-

нием поллютантов

из

загрязненных

вод

(гидрогенные аномалии).

Кратковременное загрязнение воздуха

при

неблагопри-

ятных метеоусловиях.

Оно

контролируется

крупных городах

значительно более полно,

чем

долговременное,

так как на

реше-

ние этой задачи направлены подфакельные наблюдения

конт-

роль санитарно-защитных

зон

предприятий. Обобщение материа-

лов подфакельных

ведомственных наблюдений позволяет оха-

рактеризовать кратковременное загрязнение воздуха

при НМУ в

крупном масштабе,

по

прямым данным.

При

этом важнейшее зна-

чение приобретает анализ условий возникновения высоких кон-

центраций поллютантов,

также картографирование этих концен-

траций

условий

их

возникновения.

Неблагоприятные

для

рассеяния выбросов метеоусловия могут

формироваться

как в

городе

целом,

под

воздействием макроме-

теорологических процессов,

так и на

локальных участках вслед-

ствие влияния мезо-

микрометеорологических процессов.

В первом случае определяющими факторами являются повторя-

емости приземных

приподнятых инверсий, слабых ветров, зас-

тоев воздуха, туманов, составляющие

совокупности потенциал

загрязнения атмосферы [12]. Наличие этих условий приводит к фор-

мированию над городом шапки загрязненного воздуха, в пределах

которой перепады концентраций относительно невелики

[148J.

Во втором случае речь идет о локальном повышении призем-

ных концентраций при опасной скорости ветра, величина кото-

рой растет по мере удаления от источника загрязнения [16]. В зави-

симости от скорости и направления ветра зоны максимальных при-

земных концентраций от конкретных источников постоянно

смещаются. Положение точки по отношению к источникам загряз-

нения атмосферы определяет, какое сочетание скоростей и направ-

лений ветра является для этой точки опасным. Поэтому понятие не-

благоприятных метеоусловий для города в целом может быть не впол-

не однозначно. В связи с этим карта, представляющая максимальное

загрязнение воздуха в городе, должна характеризовать не опреде-

ленную неблагоприятную ситуацию, а их совокупность.

Такая общая карта должна быть расчленяема по конкретным

метеорологическим ситуациям (в первую очередь — сочетаниям

скоростей и направлений ветра), в целях разработки профилакти-

ческих мероприятий, применительно к этим ситуациям. Необхо-

димая для этого метеорологическая информация заимствуется из

данных метеостанции того же города. Вычисляются средние значе-

ния концентраций отдельных ингредиентов и величины ИЗА для

сочетаний направлений и интервалов скоростей ветра (до 2 м/с,

3-4 м/с, 5—6 м/с и т.д.).

Этот подход может быть реализован по материалам монито-

ринга (рис. 17) и в рамках математического моделирования. Соче-

тание обобщающих карт (ИЗА при неблагоприятных метеоуслови-

ях) и поингредиентных, составленных аналогично, позволяет про-

анализировать структуру атмосферных проблем по районам

урбанизированной территории. Результатом такого анализа долж-

на становиться конкретизация понятия неблагоприятных метеоус-

ловий по районам города, ингредиентам и, соответственно, ис-

точникам загрязнения атмосферы.

Расчетные значения уровней загрязнения атмосферного возду-

ха при неблагоприятных условиях 5%-ной повторяемости получа-

ются при выполнении расчетов согласно типовой методики ОНД-

86 [92]. При этом следует иметь в виду, что данная методика не

предусматривает учет конкретных метеорологических ситуаций.

«Опасные» направления и скорости ветра для разных точек неоди-

наковы. Поэтому расчет по методике ОНД-86 создает картину рас-

пределения уровней загрязнения, которая может сложиться не еди-

новременно, а как совокупность экстремальных значений, воз-

можных в разных точках в разное время.

Рис.

17. Карта индексов загрязнения атмосферы при неблагоприятных

для данного района метеоусловиях

Распределение концентраций при НМУ с определенными пара-

метрами может быть смоделировано в рамках более сложных моде-

лей, предусматривающих учет конкретных метеоусловий. К числу

таких моделей относится гидротермодинамическая модель А. С. Гав-

рилова [170] и реализующий ее программный комплекс «ZONE»,

в том числе его учебная версия. Данная модель основана на реше-

нии уравнений переноса масс, импульса движения, потенциаль-

ной температуры, массовой доли водяного пара и предусматрива-

ет учет вихревых структур, возникающих при обтекании сооруже-

ний и связанной с ними пульсации скоростей атмосферного потока

и соответственно концентраций примесей.

Практическая работа 4

Работа с программным комплексом «ZONE» (режим работы с

базами данных, корректировка баз данных примесей, корректи-

ровка баз данных источников, корректировка баз данных застрой-

ки,

задание данных для варианта расчета). Выполняется при нали-

чии учебной версии программного комплекса «ZONE» в соответ-

ствии с руководством пользователя.

4.2.

Картографирование загрязнения вод

суши

4.2.1.

Общие закономерности загрязнения

поверхностных

вод

суши

Загрязнение водных объектов,

так же как и

загрязнение атмо-

сферы, сложный, многофакторный

весьма динамичный про-

цесс.

Концентрации различных загрязняющих веществ, присутству-

ющих

водной среде, характеризуются сложной временной дина-

микой

зависят

от:

• интенсивности поступления

водоемы;

• скорости процессов самоочищения

осаждения;

• объема водной массы, характера

скорости

ее

движения.

Каждый

из

перечисленных факторов загрязнения относитель-

но независим

от

других

обладает собственной динамикой.

За-

грязняющие вещества поступают

водоемы

со

сточными водами

от промышленных

сельскохозяйственных предприятий, комму-

нально-бытовой сферы,

поверхностным стоком

за

счет смыва

загрязненных территорий,

при

осаждении

из

атмосферы,

от

вто-

ричных химических процессов трансформации поллютантов,

от

естественных источников.

Объемы сточных

вод

определяются ходом процессов

их

обра-

зования

накопления

на

предприятиях

и в

быту. Особенностью

процессов загрязнения водных объектов является резкая изменчивость,

связанная

возможностью залповых сбросов

из

емкостей-накопите-

лей,

как

технологически обусловленных,

так и

аварийных. Смыв

загрязненных территорий также крайне неравномерен

во

времени

и происходит

при

стоке дождевых

талых

вод, а

также

во

время

паводков. Осаждение

из

атмосферы определяется присутствием

ней осаждающихся (вымывающихся) примесей

наличием соот-

ветствующих метеорологических условий.

Интенсивность процессов самоочищения зависит

от

состояния

экосистемы водоема, температуры воды

скорости течения. Объе-

мы воды

водных объектах зависят

от

комплекса гидрологических

факторов

характеризуются внутри-

межгодовой изменчивос-

тью.

Поэтому уровни загрязнения водных объектов

разных реги-

онах изменяются

по

сезонам неодинаково,

зависимости

от

гид-

рологического режима,

также характера загрязнения

и его ис-

точников. Формирование сравнительно повышенных уровней

загрязнения отмечается

следующих случаях:

• при относительно стабильном поступлении загрязнения и

пониженном расходе воды, в условиях низкой летней или

зимней межени;

• при массированном поступлении загрязнений (в том числе

взвешенных частиц) с поверхностным стоком, во время

весенних и дождевых паводков;

• при залповых сбросах, вне зависимости от состояния водоема.

В последнем случае последствия определяются как масштаба-

ми сброса, так и интенсивностью самоочищения. Известно, что

последствия аварийных сбросов многократно усугубляются, когда

их воздействию подвергаются холодные воды умеренного пояса

зимой либо арктического и субарктического поясов в любой се-

зон [29].

Нормирование загрязнения гидросферы базируется на гигие-

ническом принципе. Предельно допустимые концентрации уста-

навливаются, исходя из минимальных возможностей вредных воз-

действий. Но вредные воздействия на человека или ихтиофауну дос-

таточно часто бывают связаны не только с техногенными, но и с

природными причинами. Едва ли не в любом геохимическом ланд-

шафте имеет место дефицит одних элементов и избыток других.

С другой стороны, известно, что для водной среды ПДК тяже-

лых металлов установлены по валовым содержаниям, тогда как

токсичны лишь свободные ионы [32]. В результате по ряду веществ

ПДК фактически установлены на уровне природного фона или

даже ниже его, что искажает картину распределения уровней за-

грязнения и затрудняет использование интегральных показателей

качества воды.

4.2.2.

Картографирование самоочищения

поверхностных вод

Картографирование самоочищения поверхностных вод может

выполняться на качественном или количественном уровне иссле-

дования. Первое используется в мелко- и среднемасштабных, оце-

ночных работах, выполняемых для больших территорий. Второе

становится возможным при крупномасштабных исследованиях,

посвященных анализу конкретных ситуаций, прогнозированию

последствий возможных и реальных случаев загрязнения.

•>

Качественное картографирование условий самоочищения

включает [75] подразделение водных объектов на ряд категорий по

параметрам, определяющим условия самоочищения:

• интенсивности перемешивания;

• температурам воды в летние месяцы;

• условиям разбавления загрязняющих веществ.

Интенсивность перемешивания воды в реках зависит от турбу-

лентности потока, что, в свою очередь, контролируется характе-

ром рельефа и донных отложений. По этим условиям реки подраз-

деляются на равнинные, предгорные (низкогорные) и горные; им

соответствует слабая, средняя и сильная интенсивность переме-

шивания. По температурным характеристикам выделяется три ка-

тегории рек со средними температурами в летнее время до 15°,

15-20°,

выше 20°.

Сочетание характеристик перемешивания и температур позво-

ляет выделить четыре категории условий самоочищения за счет

трансформации загрязняющих веществ: благоприятные, относитель-

но благоприятные, средние, неблагоприятные. Условия разбавления

загрязняющих веществ определяются по среднегодовым расходам

воды; по этому показателю реки подразделяются на шесть катего-

рий. По сочетанию условий трансформации поллютантов и раз-

бавления выделяется [75] шесть градаций интегральных условий

самоочищения: очень хорошие, хорошие, относительно хорошие, сред-

ние, плохие, очень плохие (рис. 18).

Для озер основной фактор перемешивания воды — ветровое

волнение. Оно оценивается через показатель относительной мел-

ководное™, определяемый как отношение средней ширины или

(для изометричных водоемов) квадратного корня из площади к

средней глубине.

По сочетанию этого показателя и средних температур за лет-

ние месяцы выделяются те же четыре градации условий трансфор-

мации поллютантов, что и для рек. В качестве показателя условий

разбавления загрязняющих веществ для озер используется их объем

(шесть градаций).

По сочетанию условий трансформации и разбавления поллю-

тантов для озер выделяются [75] те же шесть градаций интеграль-

ных условий самоочищения: очень хорошие, хорошие, относительно

хорошие, средние, плохие, очень плохие. Градации, выделяемые по

указанным признакам, относятся к довольно крупным регионам

(рис.

19) [145], что позволяет решать задачи малкомасштабного

картографирования.

Для передачи указанных характеристик самоочищения приме-

няют линейные зна£и (для рек) и ареалы (для водоемов), с исполь-

зованием на многокрасочных картах «принципа светофора»: от-

тенков зеленого, желтого и красного цветов, сменяющих друг друга

Интенсивность переме-

^^^^^^ шивания воды

Температура воды^-^^

за летний период

(°С) ^—

Слабая

Средняя

Сильная

15-20 ^

20 =

12 3 4

Условия трансформа-

ции загрязняю-

^^\ших веществ

Водоносность

рек

(м

/с)^^

Благо-

приятные

Относитель-

но благо-

приятные

Средние

Неблаго-

приятные

Крупнейшие

> 10

ООО

Очень крупные

1 000-10 000

'"Ч*

-4.2

'"Ч,

Крупные

500-1000

Средние

250-500

'"X..

-4

Средние

100-250

- 4

Относительно малые

> 100

-4

Рис.

18.

Легенда карты условий самоочищения

рек

[75]:

а)

за

счет трансформации загрязняющих веществ:

1 —

благоприятные;

2 —

отно-

сительно благоприятные;

3 —

средние;

4 —

неблагоприятные;

б) с

учетом

их

разбавляющей способности:

— очень хорошие;

— хорошие;

3 —

относительно

хорошие;

4 —

средние;

5 —

плохие;

6 —

очень плохие

по мере ухудшения условий.

На

черно-белых картах используются

штриховки, густота которых увеличивается

по

мере ухудшения

условий (см. рис.

19).

* Количественное картографирование самоочищения выполня-

ется

при

крупномасштабных работах

базируется

на

прогнозе

на

основе известных зависимостей скоростей трансформации конк-

ретных веществ

от

температуры среды (табл.

5).

При количественном картографировании предметом изобра-

жения являются

не

параметры самоочищения

(их

перевод

из

таб-

личной формы

картографическую,

учетом температурных

ха-

рактеристик, возможен,

но

обычно нецелесообразен),

прогно-