Оценка экологического риска по подфакельным замерам концентраций загрязняющих веществ, выбрасываемых группой точечных источников

УДК 502.36: 533.6.011 + 62.192	ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА ПО ПОДФАКЕЛЬНЫМ ЗАМЕРАМ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ, ВЫБРАСЫВАЕМЫХ ГРУППОЙ ТОЧЕЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ
*, **, *, ***
* Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины; ** Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск; *** Сумской государственный университет, Сумы
Розроблена математична модель оцінки складової екологічного ризику по підфакельним замірам концентрацій забруднюючих речовин, які викидаються групою крапкових джерел.
Разработана математическая модель оценки составляющей экологического риска по подфакельным замерам концентрацій загрязняющих веществ, выбрасываемых группой точечных источников.

Введение

Оценка составляющей экологического риска по подфакельным измерениям концентраций загрязняющих веществ для точечного источника выбросов рассмотрена в работе [1]. Суть ее состоит в том, что измеренные подфакельные концентрации в некоторой точке А (х, у,z) местности с координатами х, у, z приводятся к наихудшим условиям в течение 20-30 мин интервала времени, для которых опреде-

лены максимальные разовые предельно допустимые концентрации (ПДКм. р.) [2]. По значениям приведенных концентраций оценка рассматриваемого риска производится в соответствии с результатами, полученными в работах [3,4]: величина риска определяется как вероятность превышения приведенной концентрацией хотя ба одного k-того загрязняющего вещества своей ПДКм. р..

Постановка задачи

Для крупных предприятий возникает задача по оценке рассматриваемой составляющей экологического риска от группы точечных источников. Решение ее является целью настоящей статьи. При постановке задачи будем считать, что на территории предприятия задано положение точечных источников, а также точка А, расположенная в направлении ветра за источниками, для которых производятся подфакельные измерения [5]. Источники выбрасывают в атмосферу загрязняющих веществ. В результате измерений получены значений концентраций каждых k-тых загрязняющих веществ , выбрасываемых всеми источниками. Для каждого k-того загрязняющего вещества задана ПДКмрк. Если среди загрязняющих веществ имеются вещества, обладающие эффектом суммации вредного воздействия, то измеренные концентрации их в соответствии с [2] приводятся услов-

© , , , , 2007

но к значениям концентрации одного из них

(1)

где - измеренная концентрация вещества, к которому осуществляется приведение, - его и – измеренные концентрации и других веществ, входящих в рассматриваемую группу суммации.

В этом случае будем считать, что просто произойдет уменьшение числа измеренных концентраций . При этом условно приведенные концентрации (1) будут иметь ПДКм. р. вещества, к которому производится приведение.

Для этих данных в задаче необходимо оценить рассматриваемую составляющую экологического риска в точке А.

Метод решения

Для решения задачи введем ветровую систему координат, ось Ох которой лежит в горизонтальной плоскости, направлена по вектору скорости ветра и проходит через основание крайнего левого источника, если смотреть по направлению ветра. Ось Оу лежит в той же плоскости, перпендикулярной к оси Ох, направлена вправо от нее и проходит через основание крайнего нижнего источника. Начало координат О поместим в точке пересечения этих осей. Ось Оz дополняет систему до правой прямоугольной.

Пусть в этой системе координаты оснований каждого i-го источника будут xi,yi,zi. Точка А, в которой производятся подфакельные измерения концентраций и в которой производится оценка рассматриваемой составляющей экологического риска, расположена от всех источников в сторону направления ветра (с подветренной стороны).

Введем также местные ветровые системы координат Oixiyizi с осями, параллельными осям введенной выше системы координат Оxyz и началами Оi, расположенными в каждой i-ой точке оснований источников. Известно, что расчеты концентраций загрязняющих веществ для одиночного точечного источника, стохастических характеристик их поля и прогнозная оценка рассматриваемой составляющей экологического риска производятся в этих системах координат [2-4]. Тогда координаты точки А для проведения аналогичных расчетов в каждой такой i-ой системе координат будут:

, (2)

Как следует из вышеизложенного, они должны использоваться при теоретическом приведении измеренных концентраций каждого точечного источника в соответствии с [1] к наихудшим условиям, для которых определены ПДКмрк.

Известно, что концентрации загрязняющих веществ, образующихся от различных источников, суммируются [2]. Тогда прогнозная суммарная величина концентрации от всех источников для каждого k-того загрязняющего вещества, используемая далее для определения поправок в данные подфакельных измерений в точке А, будет

, (3)

где - прогнозная концентрация k-того загрязняющего вещества от i-того точечного источника.

Она будет использоваться далее для определения поправок в измеренные концентрации .

В соответствии с [2] для каждого одиночного i-го точечного источника существует опасная скорость ветра , при которой достигается максимальная концентрация (одно из наихудших метеорологических условий). Для суммарной концентрации Сk (3) существует своя опасная скорость для заданной группы источников, зависящая от вида загрязняющего вещества. Эта скорость Сk должна определяться из условия того, что суммарная концентрация Ск (3) в зависимости от скорости ветра достигает максимума. Определение ее с особенностями для загрязняющих веществ, обладающих эффектом суммации воздействия, приведено в [2]. Для различных загрязняющих веществ она в общем случае разная, а рассматриваемый риск возникает при одновременном воздействии всех концентраций загрязняющих веществ [3,4]. Тогда, наихудшими условиями по скорости ветра следует принять случай, при котором риск достигает в заданной точке А(х, у,z) максимум.

Будем считать, что эта скорость определена из условия достижения максимума, например, на основании исследования поведения функции в диапазоне от минимального до максимального значения указанных выше опасных скоростей .

Тогда в соответствии с [1] и (3) теоретическая поправка в g-тые измеренные подфакельные концентрации k-го загрязняющего вещества от всех источников определится в формуле

, (4)

где и - суммарная от всеx источников прогнозная концентрация в наихудших условиях и в условиях подфакельных измерений.

Значения и определяются по приведенной ниже общей формуле (5) [2] и отличаются только частью входящих в нее аргументов, соответствующих указанным выше условиям:

. (5)

Здесь

- для горячих выбросов с круглым устьем

, (6)

- для холодных выбросов

, (7)

- для предельно малых опасных скоростей ветра

, (8)

- для прямоугольного устья в формулах (6)-(8) вводится замена параметров

. (9)

В приведенных формулах аргументами являются:

а) проектные параметры источника:

Mki (г/с) – масса k-того загрязняющего вещества, выбрасываемого в атмосферу i-тым источником в единицу времени; Fk - безразмерный коэффициент, учитывающей скорость оседания k-того загрязняющего вещества в атмосферном воздухе; Hi (м) – высота i-го источника над уровнем земли; Tгi (оС) – температура выбрасываемой i-тым источником газовоздушной смеси; Di (м) – диаметр устья i-того источника; Woi (м/с) – средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья i-того источника; Li(м), bi(м), V1i(м3/с) – длина и ширина устья, объемный расход газовоздушной смеси;

б) характеристика внешней среды:

А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы и определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе; - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности; Тв (оС) – температура окружающего атмосферного воздуха; U (м/с) – величина скорости ветра.

В соответствии с ОНД-86 [2] безразмерные коэффициенты и , и учитывают условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса и зависят от Woi, Di, Hi, T2i, Tвi ; коэффициент ri учитывает влияние величины скорости ветра Ui, а также является функцией величин Woi, Di, Hi, Tri, Tвi ; коэффициент S1i учитывает влияние координаты х и зависит от Woi, Di, Hi, T2i, Tвi, Fk ; коэффициент S2 является функцией отношения координат и зависит от U; коэффициент S3 учитывает влияние координаты z.

Как правило, наихудшие условия отличаются от условий, в которых производятся измерения подфакельных концентраций за счет различия величин температуры атмосферного воздуха Тв и скорости ветра U .

Если при проведении подфакельных измерений режимы работы источников не являются наихудшими (соответствующими прогнозу наихудших условий [2]), то могут измеряться также величины Mki и Woi . В результате в (4) расчетные концентрации и будут отличаться за счет отличия указанных различных аргументов в (5)-(9). При этом при различии Тв и U (или дополнительно Mki и Woi) в общем случае будут различными, кроме этих величин, также коэффициенты

.

Полученные поправки определяют приведенные к наихудшим условиям измеренных концентраций

, (10)

Теперь эти концентрации относятся к одним и тем же условиям, для которых определены ПДКмрк, и могут быть подвергнуты статистической обработки с целью получения решения задачи.

При большом числе испытаний (несколько сотен и больше) искомая составляющая экологического риска определяется по частоте событий состоящих в том, что концентрация хотя бы одного загрязняющего вещества превысит в i-ом измерении свою ПДКм. р..

, (11)

где - число рассмотренных событий при числе подфакельных измерений.

Для анализа причин возникновения риска определяются также его составляющие в отдельности по каждому загрязняющему веществу.

, (12)

где - число наблюдаемых превышений концентраций k-того загрязняющего вещества своей ПДКм. р..

Для характеристики стохастического поля концентраций в точке подфакельных измерений А определяются также числовые характеристики плотности распределения его [6]:

математические ожидания

, (13)

среднеквадратические отклонения

, (14)

коэффициент корреляции между концентрациями k-го и р-го загрязняющих веществ

, (15)

где .

Если число испытаний считается не достаточно большим, то рассматриваемая составляющая экологического риска может быть оценена при предположении, что плотность распределения концентрации в точке А подчиняется многомерному нормальному закону f [6] с числовыми характеристиками, полученными по (13)-(15). Тогда рассматриваемая составляющая экологического риска будет [4]

, (16)

При большой размерности ()

определение интеграла (16) вызывает непреодолимые вычислительные трудности даже при использовании ЭВМ. В связи с этим, для вычисления его, можно воспользоваться приближенными зависимостями, полученными в [7]:

(17)

где , (18)

, (19)

, (20)

. (21)

Одномерная функция распределения может быть определена таблично [6] или в помощью ряда [8]:

,

где ,

,

Выводы

Разработана математическая модель оценки составляющей экологического риска для человека по подфакельным измерениям концентраций загрязняющих веществ, которые выбрасываются в атмосферу группой точечных источников. Она предназначена для использования в экологическом мониторинге

крупных предприятий.

Дальнейшие исследования должна быть направлены на разработку алгоритма решения задачи и создание программы расчетов на ЭВМ для подсистемы автоматизированного экологического мониторинга крупного предприятия.

Перечень ссылок

1.  Разработка математической модели оценки экологического риска по данным измерений приземных концентраций загрязняющих атмосферу веществ / , , // Системні технології. – 2007. - № 4 (51) – С.97-102.

2.  ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – 94 с.

3.  Разработка стохастической математической модели загрязнений атмосферного воздуха с использованием метода статистических испытаний и ее применение для оценки экологического риска. / , , и др. // Екологія і природокористування. – 2003. - № 5. – С.231-236.

4.  Применение методов системного анализа, аэродинамики приземного слоя и теории надежности для оценки экологического риска / , , и др.// Екологія і природокористування.- 2003. - № 6. – С.194-199.

5.  Руководство по контролю загрязнения атмосферы / Отв. ред. проф. и акад. АМН СССР . – Л.: Гидрометеоиздат, 1976. – 448 с.

6.  Вентцель вероятностей: Учебник для вузов. 6-е изд. – М.: Высш. школа, 1998. – 576 с.

7.  , , Сырицын теории надежности ракетных двигателей. – М.: Машиностроение, 1974. – 393 с.

8.  Дьяконов по алгоритмам и программам на языке БЕЙСИК для персональных ЭВМ: Справочник. – М.: Наука, 1987. – 240 с.

V.A. Dolodarenko *, V.N. Poltoratskaya **, V.Yu. Kaspijcteva *, V.V. Falko ***	ESTIMATION of ECOLOGICAL RISK ON under – plume to GAUGINGS of CONCENTRATION of POLLUTING SUBSTANCES, which ARE THROWN OUT by GROUP of DOT SOURCES
* Institute on Problems of Nature Management and Ecology, National Academy of Sciences of Ukraine, Dnepropertrovs; ** Pridnepropetrovsk state academy of construction and architecture, Dnepropetrovsk; *** Sumy State University , Sumy, Ukraine
The mathematical model of an estimation of a component of ecological risk on under – plume of gaugings of polluting substances is developed which are thrown out by group of dot sources.

Поступила в редколлегию 26 октября 2007 г.

Рекомендовано членом редколлегии д-ром техн. наук., проф.