Количественная оценка загрязнения атмосферы выражается через концентрацию примесей. Концентрация примесей токсических веществ в атмосфере очень изменчива во времени и пространстве и зависит не только от непосредственного количества выбросов в результате хозяйственной деятельности человека, но и от загрязнения воздуха городов дымом от лесных пожаров и пылью во время суховеев и пыльных бурь. Анализ данных измерений концентраций примесей в отдельных пунктах города за сутки, месяц, сезон и год позволяет выделить вещества, которые значительно превышают предельно допустимые концентрации (ПДК) и в основном определяют высокое загрязнение воздуха. Обычно в каждом городе можно выделить до пяти таких веществ и общего количества, за которыми ведется наблюдение (аммиак, бензапирен, диоксид азота, метилмеркаптан, оксид азота, оксид углерода, сероуглерод, метиловый спирт, стирол, фенол, формальдегид, фторид водорода, твердые фториды, хлорид водорода, сажа и пыль).
Наряду с концентрациями примесей в воздухе, создающимися в районе отдельных объектов в городе формируется фоновое загрязнение воздуха за счет взаимного наложения и перемешивания выбросов от многих источников. В связи с этим высокие концентрации токсических веществ в воздухе могут отмечаться вне прямого действия отдельных объектов. Фоновое загрязнение воздуха под влиянием метеорологических условий отмечается в целом над всем городом в течение суток. Под влиянием погодных условий фоновое загрязнение при постоянных выбросах от предприятий то усиливается, то ослабевает. Наибольшее усиление концентрации токсических веществ наблюдается особенно при двух типах аномальных условий погоды: безветрии и слабо моросящих осадках, формирующих смог, а также безветрии в сочетании с высокой температурой воздуха.
В России наблюдения за уровнем загрязнения воздуха в городах проводятся Государственной службой по Гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с 1965г. В городах организованы стационарные пункты наблюдений за концентрациями в воздухе токсических веществ. В большинстве случаев количество пунктов составляет от 4 до 10. Наблюдения проводятся три раза в течение дня по скользящему почасовому графику. В наиболее крупных городах проводится четырех разовое наблюдение или трех разовое в постоянные сроки (7, 13, 19 часов). В 1979 г. главной геофизической обсерваторией разработаны методические указания по прогнозу загрязнения воздуха в городах.
Предпосылками для разработки методов прогнозирования загрязнения воздуха явились результаты теоретических и экспериментальных работ М.Е.Берленда, И.И. Соломатина, Р.И.Оникул, Б.В.Горошко, Р.Л. Сонькина, Э.Ю.Безуглый и др. Выполненные исследования определили разработку двух видов оценок загрязнения воздуха. Первый вид - загрязнение воздуха от отдельных источников загрязнения, другой - в целом по городу. Отдельные источники загрязнения создают очаговое поле высоких концентраций вредных выбросов. Второй вид - загрязнение в целом по городу, возникающее вследствие перемешивания выбросов от многих источников загрязнения, формируют под влиянием метеоусловий фоновое загрязнение воздуха над городом.
В настоящее время для районирования территории по атмосферному загрязнению городов используют расчетный показатель - потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА), определяющий условия переноса рассеивания и вымывания токсических примесей из атмосферы. При расчете ПЗА учитываются приземные инверсии температуры (мощность слоя, интенсивность), скорости ветра, продолжительность застоя воздуха, высота слоя перемешивания, продолжительность туманов и т.д. Этот метод широко используется при оценке экологического состояния центральной, юго-западной и северо-восточной части Европейской- территории России, а также западной Сибири. Однако он является слишком обобщенным и с трудом используется для оценки загрязнения атмосферы в пределах городах.
Нами предложен метод оценки загрязнения атмосферного воздуха по городу на основе построения карт распределения показателей загрязнения (С) по отдельным стационарным пунктам города. Карты позволяют учесть распределение каждого ингредиента (выше ПДК) над территорией города или обобщенного показателя загрязнения (С) над территорией города:
где, q - содержание какого-либо ингредиента в воздухе в конкретный срок наблюдений, qпдк - предельно допустимая концентрация этого вещества, М - количество g-тых веществ (ингредиентов).
Карты распределения загрязнения атмосферного воздуха строятся по показателю С по какому-либо одному ингредиенту, а по показателю С1 - по всем ингредиентам стационарных постов наблюдений.
Предлагаемый нами метод использует интегральную пространственно-временную сетку, может быть рекомендован для оценки степени загрязнения воздуха не только равнинных территорий, но и горных.
Расчет средней концентрации любого отдельного вещества по городу за сутки, месяц, год нами предлагается производить по формуле:
где, Сg - средняя концентрация одного g-того вещества за все сроки наблюдений по городу в целом, qg - средняя концентрация одного g-того вещества на i-том пункте на все сроки наблюдений, qg пдк - предельно допустимая концентрация g-того вещества, n - число стационарных пунктов наблюдений.
Средняя концентрация g-того вещества на каждом пункте наблюдений за все сроки наблюдений по городу может быть рассчитана за сутки, месяц, год.
При необходимости оценки фонового загрязнения атмосферы в целом по городу (Сф) может быть использована формула:
После расчета С, С1, Сg по всем загрязнителям, за которыми ведутся наблюдения, из всего ряда выбираются пять наиболее значимых ингредиентов. Значимость определяется по количественному значению Сg с учетом их токсичности (класса опасности).
Тогда предлагаемое нами уравнение фонового загрязнения приобретает следующий вид:
Для оценки степени экологической опасности нами составлена таблица 1, где малая степень опасности - при Сф меньше- 1, умеренная - при 1,0 - 1,4, высокая при 1,41 - 2,8, очень высокая - при 2,81 - 4,2 , экстремально высокая - при значениях - больших 4,2.
В настоящее время для оценки загрязнения атмосферного воздуха используется расчет индекса загрязнения атмосферы ИЗА 5. В основе его лежит суммирование средних значений концентраций примесей по отношению к ПДК по наиболее значимым ингредиентам:
Таблица 1. Критерии оценки качества воздуха городов с учетом экологической опасности
|
Экологическая зона |
Степень экологической опасности |
Комплексный показатель пожарной опасности в лесах по условиям погоды КП оС |
Средний показатель загрязнения атмосферного воздуха СФ 5 |
Суммарный показатель загрязнения атмосферного воздуха ИЗА 5 |
|
1 |
Малая |
менее 300 |
Менее 1,0 |
Менее 5,0 |
|
2 |
Умеренная |
301- 1000 |
1,0- 1,4 |
5,0 - 7,0 |
|
3 |
Высокая |
1001- 4000 |
1,41- 2,8 |
7,1 - 14,0 |
|
4 |
Очень высокая |
4001-12000 |
2,81- 4,2 |
14,1 -21,0 |
|
5 |
Экстремально высокая |
Более 12000 |
Более 4,2 |
более 21,0 |
Предлагаемый нами метод расчета показателя загрязнения атмосферы Сф5 имеет преимущества перед ИЗА5 в том, что он представляет не сумму средних значений концентраций веществ как ИЗА, а среднюю концентрацию всех пяти наиболее значимых ингредиентов. Это позволяет оценить во сколько раз среднее значение этих пяти ингредиентов превышает их ПДК. Метод использует интегральную пространственно - временную сетку и может быть рекомендован для оценки степени загрязнения воздуха городов не только равнинных территорий, но и горных. Критерий оценки качества атмосферного воздуха Сф5 хорошо согласуется с комплексным показателем пожарной опасности в лесах по условиям погоды (КП).