Мониторинг воздушной среды

В результате загрязнения атмосферы в ряде городов образуется «смог», создаются трудные условия жизни для людей и угроза сохранности памятников (например, Акрополя в Афинах) и технических сооружений (из Парижа пришлось удалить астрономическую абсерваторию). Состояние атмосферы значительно ухудшается под действием поступающих в нее радиоактивных, электромагнитных, акустических излучений [1, с.12].

Под действием ряда веществ, выбрасываемых в ОС, у человека появляются новые и осложняются старые заболевания – генетические, токсические, аллергические, респираторные и др. В Японии появилась печально знаменитая болезнь Минаматы (по названию залива), вызываемая воздействием соединений ртути.  На человека воздействуют не только выбросы химических веществ, но и целый ряд физических явлений, в частности, акустических[1, с.14]. Также загрязнение воздуха делает невозможным дальнейшее развитие промышленности.

Для контроля за состоянием ОС используется мониторинг – система наблюдений и оценки состояния природной среды, позволяющая установить изменения этого состояния под влиянием главным образом антропогенных загрязнений. В службе мониторинга используются специальные автоматические анализаторы, позволяющие фиксировать концентрацию вредных веществ в атмосфере или водных источниках.

Необходимость и значимость мониторинга воздушного бассейна  связаны с большим количеством источников выделения и опасностью  веществ, выбрасываемых в атмосферу. Поэтому данная работа будет целиком посвящена вопросам мониторинга воздушной среды.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МОНИТОРИНГЕ

1.1.Цели и задачи мониторинга воздушной среды.

Следует вспомнить, что к вредным веществам относят те вещества, которые при контакте с организмом человека вызывают профессиональные заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами. При этом учитываются воздействия этих веществ в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений.

К основным целям мониторинга воздушного бассейна следует отнести:

• наблюдение за известными источниками поступления вредных веществ в воздушный бассейн;
• выявление и факторов загрязнения, а также степени их воздействия;
• оценку фактического состояния атмосферного воздуха;
• прогноз загрязнения атмосферного воздуха и пути улучшения ситуации;
• определение приоритетных загрязнителей воздушного бассейна с использованием результатов прошлых наблюдений и данных об уровнях фонового загрязнения[2,с.192].

Данные мониторинга, полученные в результате прямых и косвенных  (расчетные методики) измерений, используются для решения таких задач, как:

• проверка соответствия нормам экологического законодательства;
• оценка эффективности технологических процессов;
• экспертиза новых технологий контроля за загрязнением атмосферы и водного бассейна;
• создание баз данных по выбросам всех типов технологических процессов;
• установление коэффициентов эмиссии загрязнителей;
• оценка влияния источника выброса на качество воздуха в регионе с использованием моделей рассеивания;
• разработка целенаправленной экологической политики предприятия.

На опасных объектах целесообразно использовать следующие способы получения результатов аналитических измерений о состоянии окружающей среды:

• предварительный обор проб в заранее определенных точках отбора с последующим анализом в лаборатории (лабораторная сеть наблюдений);
• отбор проб и проведение анализа в точке отбора с помощью специально прадназначенных для этого приборов (инструментальный контроль);
• отбор проб, проведение анализа на стационарных постах и передача полусенной информации в автоматическом режиме в центр сбора и обработки информации (автоматизированные системы мониторинга) [2, с.193].

Использование методов дистанционного мониторинга оказывается чрезвычайно дорогим. 

Основными недостатками лабораторной сети наблюдений за состоянием загрязнения окружающей среды является ее неоперативность и периодичность. Запаздывание получения результата от момента отбора проб составляет в среднем 5 – 6 ч. При такой системе отсутствует постоянная достоверная информация о состоянии атмосферы промышленной и санитарно-защитной зон и нет возможности в полной мере реализовывать цели и задачи, предъявляемые  к мониторингу окружающей среды [2,с. 193].

Решением данной проблемы является создание автоматизированных систем мониторинга окружающей среды (СМОС), которые позволяют увязать все наблюдения за состоянием загрязнения атмосферы, водного бассейна, почвы и станут необходимым звеном системы экологического менеджмента (СЭМ). Внедрение СМОС в качестве подсистемы в интегрированную информационную управляющую систему (ИИУС)  предприятия обеспечивает в перспективе объединение с информационной системой  городского или регионального уровня. 

 Автоматизированная система наблюдения и контроля ОС будет рассмотрена в данной работе несколько позже.

Следует также отметить тот факт, что степень загрязнения воздушной среды зависит от применяемой техники и технологии, а также от масштабов переработки углеводородных систем. Предприятия нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности оказывают заметное негативное влияние на состояние окружающей среды, и, прежде всего, на атмосферный воздух, что обусловлено их деятельностью и сжиганием продуктов переработки нефти (моторных, котельных топлив и др. продукции).

По загрязнению воздушного бассейна нефтепереработка и нефтехимия занимают четвертое место среди других отраслей промышленности. В состав продуктов сгорания топлива входят такие загрязняющие вещества, как оксиды: азота, серы и углерода, технический углерод, углеводороды, серовдород [2, с.194]. Как показывает анализ состояния атмосферы, именно выбросы этих веществ в большинстве промышленных городов создают повышенный фон загрязнения.

1.2. Тропосфера, как  составная часть биосферы.

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 – 1914). 

Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.
Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. 

Даже автор самого термина "биосфера" Э.Зюсс, в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли".
Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б.Ламарк (1744 – 1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Биосфера (в современном понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.
Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Атмосфера – газовая оболочка, окружающая Землю и состоящая в основном из азота и кислорода. Она простирается на большую высоту с постепенным падением давления – на высоте 100 км давление равно одной миллионной доли от давления атмосферы у поверхности Земли. Масса атмосферы составляет около 5*1018 т, 50% всей атмосферы сосредоточено в слое до высоты 5,5 км и 99% в слое до высоты 40 км[1, с.22].

По вертикали атмосфера имеет четко выраженное слоистое строение, которое обусловлено процессами взаимодействия солнечного излучения с компонентами атмосферы (табл.1.1.). 

Таблица 1.1. Характеристика основных зон, выделяемых в атмосфере

 

 

С удалением от поверхности Земли  температура сначала снижается (область тропосферы), затем почти не меняется (тропопауза), в дальнейшем начинает повышаться (стратосфера), на определенном участке опять остается неизменной (стратопауза), вновь начинает падать (мезосфера), проходит через участок с неизменными значениями (мезопауза) и далее увеличивается (термосфера). Такой сложный профиль зависимости температуры от расстояния до поверхности планеты связан с изменением характера физико-химических процессов, протекающих при взаимодействии излучения с различной длиной волны с веществом атмосферы.

Очень часто при классификации отдельные слои атмосферы объединяют в две группы. Тропосферу и стратосферу относят к нижним слоям атмосферы, а мезо- и термосферу к верхним [3, с.20]. 

Тропосфера – нижний, непосредственно соприкасающийся с земной поверхностью слой атмосферы.  Именно воздухом тропосферы дышат живые организмы, влага, конденсирующаяся в тропосфере и выпадающая с атмосферными осадками, обеспечивает человечество питьевой водой, а проникающее через тропосферу солнечное излучение используется автотрофными организмами в процессе фотосинтеза [3,с.60].

Результаты количественного определения микропримесей в  тропосфере показали, что их концентрации значительно превышают равновесные значения, которые были рассчитаны на основании термодинамических данных для примесей, содержащих азот, кислород, углерод (табл.1.2).

Такое различие значений равновесных и истинных концентраций примесей свидетельствует о том, что, несмотря на постоянный состав основных компонентов  (N2, О2, Ar), тропосфера является неравновесной химически активной системой. Поэтому в последние десятилетия основное внимание специалистов в области химии атмосферы направлено на изучение кинетических параметров процессов, вызывающих изменение концентрации примесей в тропосфере. 

Данные о скорости процессов поступления (эмиссия из природных и  антропогенных источников и образование непосредственно в атмосфере), а также скорости процессов выведения, или стока (перенос в другие резервуары, сорбция и осаждение на поверхности, трансформация в атмосфере) позволяют оценить время пребывания примесей в тропосфере и дают представление о масштабах атмосферной части глобального круговорота веществ в природе.
 

Таблица 1.2. Концентрация некоторых примесей в атмосфере

 

 

Большинство газообразных примесей, выделяемых с поверхности планеты в атмосферу, в результате геохимических и биологических процессов находится в восстановленной форме или в виде оксидов с низкой степенью  окисления (сероводород, аммиак, метан, гемиоксид и оксид азота и т. д.). 

В то же время анализ атмосферных осадков показывает, что возвращаемые на поверхность планеты примеси, в основном, соединения в высокой  степени окисления (серная кислота и сульфаты, азотная кислота и нитраты, диоксид углерода и карбонаты). Таким образом, тропосфера играет на планете роль глобального окислительного резервуара [3,с.61].

Процессы окисления примесей в тропосфере могут протекать по различным направлениям:

• окисление непосредственно в газовой фазе;
• окислению предшествует абсорбция частицами воды, и в дальнейшем процесс окисления протекает в растворе;
• окислению предшествует адсорбция примесей на поверхности твердых частиц, взвешенных в воздухе.

Окислительная способность атмосферного воздуха не вызывает сомнений и подтверждается термодинамическими расчетами. Однако скорость процессов окисления примесей непосредственно молекулой кислорода в газовой фазе при характерных для тропосферы температурах и давлениях мала. Молекулы кислорода редко являются непосредственной причиной окисления примесей в газовой фазе.

Долгие годы протекание процессов окисления в тропосфере связывали с присутствием в ней озона и пероксида водорода. Однако, как показали исследования последних десятилетий, основную роль в процессах окисления, протекающих в газовой фазе, играют свободные радикалы (прежде всего гидроксильный радикал). Имея по одному неспаренному электрону на внешней электронной орбитали, свободные радикалы являются сильными окислителями и принимают самое активное участие в процессах окисления примесей в газовой фазе тропосферы.  Понимание этих процессов очень важно, так как, зная механизм превращений веществ в тропосфере, мы сможем предсказать возможные негативные последствия выбросов в воздух и, следовательно, корректировать величины ПДК и других показателей.

Все, выше сказанное, кратко обрисовывает роль тропосферы как неотъемлемой части биоферы.

2. ОРГАНИЗАЦИЯ МОНИТОРИНГА  АТМОСФЕРЫ

2.1.Источники загрязнения атмосферного воздуха.

Загрязнение атмосферы – результат выбросов загрязняющих веществ из различных источников. Загрязнения переносятся по воздуху от источников появления к местам их разрушающего воздействия; в атмосфере они могут претерпевать изменения, включая химические превращения одних загрязнений в другие, еще опасные вещества [4, с.89].

Вещества, загрязняющие атмосферу, могут быть твердыми, жидкими или газообразными и оказывать вредное действие на ОС непосредственно, после химических превращений в атмосфере либо совместно с другими веществами.

Промышленные источники загрязнения атмосферного воздуха подразделяются на источники выделения и источники выбросов. К первым относятся технологические устройства (аппараты установки и т.п.), в процессе эксплуатации которых выделяются примеси. Ко вторым - трубы, вентиляционные шахты, аэрационные фонари и другие устройства, с помощью которых примесь поступает в атмосферу.

Промышленные выбросы подразделяются на организованные и неорганизованные. Организованный промышленный выброс поступает в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды и трубы, что позволяет применять для очистки от загрязняющих веществ соответствующие установки. Неорганизованный промышленный выброс поступает в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в результате нарушений герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу газа в местах загрузки, выгрузки или хранения продукта. Неорганизованные выбросы характерны для очистных сооружений, золоотвалов, участков погрузочно-разгрузочных работ, сливно-наливных эстакад, резервуаров и других объектов.

К основным источникам промышленного загрязнения атмосферного воздуха относятся предприятия энергетики, металлургии, стройматериалов, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, производства удобрений.

 

 

 

Следует также отметить, что весомый вклад в загрязнение воздуха, особенно в городах, вносит всевозможный автотранспорт,  а также процессы испарения топлива. Например, при работе двигателей на этилированном бензине в выхлопных газах содержатся оксиды азота, соединения свинца (количество свинца в воздухе находится в прямой зависимости от интенсивности движения и может достигать 4-12 мг/мЗ). При работе на серосодержащем топливе в выхлопах появляется диоксид серы. Тысяча автомобилей с карбюраторным двигателем в день выбрасывает около 3 т угарного газа, 100 кг оксидов азота, 500 кг продуктов неполного сгорания бензина.

При сжигании горючих ископаемых (угля, нефти, газа) большая часть содержащейся в них серы превращается в диоксид серы. 

От индустрии в атмосферу попадают различные загрязнители, прежде всего это диоксид серы, оксиды углерода, аммиак, сероводород, фенол, хлор, углеводороды, сероуглерод, фтор содержащие соединения, серная кислота, аэрозольная пыль, тяжелые металлы, радиоактивные соединения и многие другие вредные вещества. Кислоты вместе с дождем могут выпадать на поверхность земли, воздействуя на почву, растительность и живые организмы. Известно, что в нейтральной среде значение рН=7, а дождевая вода в относительно чистом воздухе имеет рН=5,6 вследствие воздействия углекислоты воздуха.

Помимо выбросов химических веществ, серьезными загрязнениями атмосферы являются выбросы большого количества водяного пара, шум, электромагнитное излучение, тепловое загрязнение, в том числе выбросы большого количества нагретого воздуха.

 

 

2.2.Критерии санитарно-гигиенической оценки состояния воздуха

В СССР содержание химических загрязнителей в окружающей среде начали контролировать в 1925г., когда определили первые значения ПДК для воздушной среды рабочей зоны. Нашей стране (РФ как правопреемнице СССР) принадлежит приоритет в разработке ПДК вредных веществ (ВВ) в атмосферном воздухе. В 1949г. В.А. Рязановым были сформулированы основные принципы гигиенического нормирования атмосферных загрязнителей : 

1.допустимой может быть признана только такая концентрация того или иного вещества в атмосферном воздухе, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного или неприятного действия, не снижает его работоспособности, не влияет на его самочувствие и настроение;

2.привыкание к вредным веществам должно рассматриваться как неблагоприятный момент и недопустимость изучаемой концентрации;

3.недопустимыми являются такие концентрации ВВ, которые неблагоприятно влияют на растительность, климат местности, прозрачность атмосферы и бытовые условия жизни населения.

При научном обосновании ПДК ВВ основываются на представлении о наличии порогов в их действии и используют принцип лимитирующего показателя (нормирование по наиболее чувствительному показателю). Так, если запах ощущается при концентрациях, которые не оказывают вредного влияния на организм человека и внешнюю среду, нормирование осуществляется с учетом порога обоняния. Если вещество оказывает на окружающую среду вредное действие в меньших концентрациях, чем влияющие на организм человека, то при гигиеническом нормировании исходят из порога действия этого вещества на внешнюю среду. 

Порог вредного действия - это минимальная доза вещества, при воздействии которой в организме возникают изменения, выходящие за пределы физиологических и приспособительных реакций, или скрытая (временно компенсированная) патология. 

Таким образом, пороговая доза вещества (или пороговое действие вообще) вызывает у биологического организма отклик, который не может быть скомпенсирован за счет гомеостатических механизмов (механизмов поддержания внутреннего равновесия организма). 

Нормативы, ограничивающие вредное воздействие, устанавливаются и утверждаются специально уполномоченными государственными органами в области охраны окружающей природной среды, санитарно-эпидемиологического надзора и совершенствуются по мере развития науки и техники с учетом международных стандартов.

 В основе санитарно-гигиенического нормирования лежит понятие предельно допустимой концентрации. 

Предельно допустимая концентрация (ПДК) для воздуха - это максимальная концентрация примеси в атмосферном воздухе, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает и не окажет на него вредного влияния (включая отдаленные последствия) и на окружающую среду в целом. В настоящее время определены предельно допустимые концентрации в атмосферном воздухе более чем 500 веществ

В связи с тем, что кратковременные воздействия не обнаруживаемых по запаху вредных веществ могут вызвать функциональные изменения в коре головного мозга и в зрительном анализаторе, были введены значения максимальных разовых предельно допустимых концентраций. 

С учетом вероятности длительного воздействия вредных веществ на организм человека были введены значения среднесуточных предельно допустимых концентраций.  Поэтому     нормирование содержания ВВ проводится на двух уровнях - максимально допустимом (ПДКм.р.) и среднесуточном (ПДКс.с.). Промежуточные значения имеет ПДКр.з. 

ПДКм.р. – максимальная разовая концентрация ВВ в воздухе населенных мест, мг/м3. Эта концентрация не должна вызывать в течение 30 минут рефлекторных (в том числе субсенсорных) реакций в организме человека. 

ПДКс.с. - среднесуточная предельно допустимая концентрация ВВ в воздухе населенных мест, мг/м3. Эта концентрация ВВ не должна оказывать на человека прямого или косвенного воздействия в условиях неопределенного долгого круглосуточного вдыхания. 

ПДКр.з. – предельно допустимая концентрация ВВ в воздухе рабочей зоны, мг/м3. Эта концентрация не должна вызывать у работающего при ежедневном вдыхании в пределах 8 часов в течение всего рабочего стажа заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования непосредственно в процессе работы или в отдаленные сроки. Рабочей зоной считается пространство до 2 м высотой, где размещается место постоянного или временного пребывания работающих. Так ПДКрз  диоксида серы составляет 10, диоксида азота - 5, а ртути - 0,01 мг/м3.

Как следует из приведенных выше определений различных ПДК, концентрация одного и того же ВВ может заметно меняться, являясь минимальной для ПДКс.с.  и максимальной для ПДКм.р. Кроме этого, в самом определении ПДК заложена идея их изменения, поскольку совершенствование методов диагностики заболеваний позволяет фиксировать отклонения в здоровье человека на принципиально новом уровне. 

Классическим примером изменения отношения к токсичности химического соединения является ДДТ, прошедший путь от широко использующегося в сельском хозяйстве препарата до супертоксиканта, применение которого запрещено. 

Обоснованию гигиенических нормативов предшествуют многоплановые комплексные исследования на лабораторных животных, а в случае оценки ольфакторных реакций организма на действия загрязняющих веществ и на добровольцах. При таких исследованиях используются самые современные методы, разработанные в биологии и медицине.

Значения ПДКм.р. и ПДКс.с. для наиболее часто встречающихся в атмосферном воздухе примесей приведены в таблице 2.3.

В правой крайней графе таблицы приведены классы опасности веществ: 1-чрезвычайноопасные, 2-высокоопасные, 3-умеренноопасные и 4- малоопасные. Эти классы разработаны для условий непрерывного вдыхания веществ без изменения их концентрации во времени. В реальных условиях возможны значительные увеличения концентраций примесей, которые могут привести в короткий интервал времени к резкому ухудшению состояния человека

Таблица 2.3. Предельно допустимые концентрации (ПДК) в атмосферном воздухе населенных мест

 

В том случае, когда отсутствуют значения ПДК (о действии веществ не накоплено достаточной информации), для оценки гигиенической опасности вещества можно пользоваться показателем ориентировочно - безопасного максимального разового уровня загрязнения воздуха (ОБУВ) или временно допустимые концентрации (ВДК) - полученные расчетным путем нормативы, рекомендованные для использования сроком на 2-3 года. Для установления расчетных ВДК предложен ряд уравнений, которые являются математическим выражением существующих тесных корреляционных связей между физико-химическими свойствами вещества и параметрами токсичности.

В публикациях иногда встречаются и другие характеристики загрязняющих веществ. 

Под токсичностью понимают способность веществ вызывать нарушения физиологических функций организма, что в свою очередь приводит к заболеваниям (интоксикациям, отравлениям) или, в тяжелых случаях, к гибели. Фактически токсичность - мера несовместимости вещества с жизнью. 

Степень токсичности веществ принято характеризовать величиной токсической дозы - количеством вещества (отнесенным, как правило, к единице массы животного или человека), вызывающим определенный токсический эффект.Чем меньше токсическая доза, тем выше токсичность вещества. Различают среднесмертельные (ЛД50), абсолютно смертельные (ЛД100), минимально смертельные (ЛД0-10) и др. дозы. Цифры в индексе отражают вероятность (%) появления определенного токсического эффекта - в данном случае смерти - в группе подопытных животных. 

Следует иметь в виду, что величины токсических доз зависят от путей поступления вещества в организм. Доза ЛД50 (гибель половины подопытных животных) дает значительно более определенную в количественном отношении характеристику токсичности, чем ЛД100 или ЛД0. В зависимости от типа дозы, вида животных и пути поступления, выбранных для оценки, порядок расположения веществ на шкале токсичности может меняться. Величина токсической дозы не используется в системе нормирования. 

Понятие токсичности следует отличать от понятия опасности. Опасность – это возможность  возникновения интоксикации в конкретных условиях на производстве, что зависит не только от токсичности, но и от других свойств, прежде всего летучести. 

Для предварительной оценки загрязнения воздуха парами летучих и малолетучих соединений необходимо располагать данными  о летучести этих веществ.  Летучесть – это максимальная концентрация паров, выраженная в единицах массы на объем при данной температуре. 

Летучесть (мг/л) можно рассчитать по формуле

L = pM/RT г/л = рМ·1000/760·0,082·(273 + t) = 16рМ/273 + t мг/л   (2.1)

где р – упругость насыщенного пара при данной температуре, мм. рт. ст.;

      М – молекулярная масса вещества;

      t – температура,0С.

Если летучесть вещества (например, серной кислоты) при 200С значительно ниже ПДК (в 10 и более раз), то наличием паров в воздухе можно пренебречь. отбор проб в этом случае проводят лишь для определения содержания аэрозоля. В то же время при значительном превышении ПДК (в 50 и более раз) пробы отбирают только для определения содержания паров (например, этилмеркурхлорида)[4, с.123].

Малотоксичное, но высоколетучее вещество может оказаться гораздо опаснее, чем высокотоксичное, но малолетучее. 

Опасность вещества оценивают по коэффициенту возможного ингаляционного отравления (КВИО).

КВИО равен отношению максимально достижимой концентрации вещества в воздухе при 200С к среднесмертельной концентрации для белых мышей при двухчасовом воздействии. Важность этого коэффициента состоит в том, что он объединяет два показателя опасности острого отравления: летучесть и дозу.

Санитарно-гигиеническое нормирование охватывает различные пути поступления вредных веществ в организм, хотя редко отражает комбинированное действие (одновременное или последовательное действие нескольких веществ при одном и том же пути поступления) и не учитывает эффектов комплексного (поступления вредных веществ в организм различными путями и с различными средами - с воздухом, водой, пищей, через кожные покровы) и сочетанного воздействия всего многообразия физических, химических и биологических факторов окружающей среды. Существуют лишь ограниченные перечни веществ, обладающих эффектом суммации при их одновременном содержании в атмосферном воздухе. 

Санитарно-гигиенические и экологические нормативы определяют качество окружающей среды по отношению к здоровью человека и состоянию экосистем, но не указывают на источник воздействия и не регулируют его деятельность. Требования, предъявляемые собственно к источникам воздействия, отражают научно-технические нормативы. К таковым относятся нормативы выбросов и сбросов вредных веществ (ПДВ и ПДС), а также технологические, строительные, градостроительные нормы и правила, содержащие требования по охране окружающей природной среды. В основу установления научно-технических нормативов положен следующий принцип: при условии соблюдения этих нормативов предприятиями региона содержание любой примеси в воде, воздухе и почве должно удовлетворять требованиям санитарно-гигиенического нормирования. 

Научно-техническое нормирование предполагает введение ограничений деятельности хозяйственных объектов в отношении загрязнения окружающей среды, иными словами, определяет предельно допустимые потоки вредных веществ, которые могут поступать от источников воздействия в воздух, воду, почву. Таким образом, от предприятий требуется не собственно обеспечение тех или иных ПДК, а соблюдение пределов выбросов и сбросов вредных веществ, установленных для объекта в целом или для конкретных источников, входящих в его состав. Зафиксированное превышение величин ПДК в окружающей среде само по себе не является нарушением со стороны предприятия, хотя, как правило, служит сигналом невыполнения установленных научно-технических нормативов (или свидетельством необходимости их пересмотра).

В заключение можно сказать, что перечень ВВ и ПДК для них огромен, приводится в многотомных справочниках и всегда не полон, ибо темпы определения ПДК возможных загрязнителей отстают от темпов появления новых технологий, производств, следовательно, новых выбрасываемых в атмосферу ВВ. Еще медленнее расширяется ассортимент аналитических методик, использующихся для определения ВВ. Не облегчает задачу и отсутствие государственного стандартного образца на воздух.

2.3.Организация наблюдений и контроля загрязнения атмосферного воздуха.

В крупных промышленных центрах степень загрязнения атмосферного воздуха может в ряде случаев превысить санитарно-гигиенические нормативы. Характер временной и пространственной изменчивости концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе определяется большим числом разнообразных факторов. Знание закономерностей формирования уровней загрязнения атмосферного воздуха, тенденций их изменений является крайне необходимым для обеспечения требуемой чистоты воздушного бассейна. Основой для выявления закономерностей служат наблюдения за состоянием загрязнения воздушного бассейна.

От возможностей и качества проводимых наблюдений зависит эффективность всех воздухо-охранных мероприятий.

Служба наблюдений и контроля за состоянием атмосферного воздуха, как следует из названия, состоит из двух частей, или систем: наблюдений (мониторинга) и контроля. Первая система обеспечивает наблюдение за качеством атмосферного воздуха в городах, населенных пунктах и территориях, расположенных вне зоны влияния конкретных источников загрязнения. Вторая система обеспечивает контроль источников загрязнения и регулирование выбросов вредных веществ в атмосферу.

Наблюдения за состоянием атмосферного воздуха проводятся в районах интенсивного антропогенного воздействия (в городах, промышленных и агропромышленных центрах и т.д.) и в районах, удаленных от источников загрязнения (в фоновых районах).

Наблюдения в районах, значительно удаленных от источников загрязнения, позволяют выявить особенности отклика биоты на воздействие фоновых концентраций загрязняющих веществ.

Как правило, фоновые наблюдения по специальной программе фонового экологического мониторинга проводятся в биосферных заповедниках и заповедных территориях. Ранее биосферные заповедники были расположены по всей территории СССР. В биосферных заповедниках осуществляется оценка и прогнозирование загрязнения атмосферного воздуха путем анализа содержания в нем взвешенных частиц, свинца, кадмия, мышьяка, ртути, бенз(а)пирена, сульфатов, диоксида серы, оксида азота, диоксида углерода, озона, ДДТ и других хлорорганических соединений. Программа фонового экологического мониторинга включает также определение фонового уровня загрязняющих веществ антропогенного происхождения во всех средах, включая биоты. Кроме измерения состояния загрязнения атмосферного воздуха, на фоновых станциях производятся также метеорологические измерения.

Сеть фоновых станций, расположенная на территории нашей страны, включена в Глобальную систему мониторинга окружающей среды (ГСМОС), функционирующую в соответствии с программой ООН по проблемам окружающей среды (ЮНЕП)  под эгидой ЮНЕП. Информация, получаемая с фоновых станций, позволяет оценивать состояние и тенденции глобальных изменений загрязнения атмосферного воздуха. Фоновые наблюдения проводятся также с помощью научно-исследовательских судов в морях и океанах.

При наблюдении за фоновыми уровнями загрязнения атмосферного воздуха разрабатываются модели переноса примесей, и определяется роль в процессах переноса гидрометеорологических и техногенных факторов. На фоновых станциях исследуются и уточняются: критерии создания сети наблюдений, перечни контролируемых примесей, методики контроля и обработки данных измерений, способы обмена информацией и приборами, методы международного сотрудничества. Так, например, по международным соглашениям станция базисного и регионального мониторинга должна размещаться на расстоянии 40-60 км от крупных источников загрязнения с подветренной стороны. На территориях, примыкающих к станции, в радиусе 40-400 км не должен изменяться характер деятельности человека. Было также установлено, что пробы воздуха должны отбираться на высоте не менее 10 м над поверхностью растительности.

На станциях фонового мониторинга наблюдение за качеством атмосферного воздуха осуществляется по физическим, химическим и биологическим показателям.

Необходимость организации контроля загрязнения атмосферного воздуха в зоне интенсивного антропогенного воздействия определяется предварительными экспериментальными (в течение 1-2 лет) и теоретическими исследованиями с использованием методов математического и физического моделирования. Такой подход позволяет оценить степень загрязнения той или иной примесью атмосферного воздуха в городе или любом другом населенном пункте, где имеются стационарные и передвижные источники выбросов вредных веществ.

Обычно расположение источников выбросов и их параметры известны или их можно определить. Зная метеорологические параметры, в том числе "розу ветров" можно с использованием математических и физических моделей рассчитать поля концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе для любой ситуации. Но адекватность принятых моделей реальным ситуациям все равно должна проверяться экспериментально.

Для получения репрезентативной информации о пространственной и временной изменчивости загрязнения воздуха, нужно предварительно провести обследование метеорологических условий и характера пространственной и временной изменчивости загрязнения воздуха с помощью передвижных средств. Для этого чаще всего используется передвижная лаборатория, производящая отбор, а иногда и анализ проб воздуха во время остановок. Такой метод  обследования называется рекогносцировочным. Он находит достаточно широкое применение за рубежом.

На карту-схему города (населенного пункта, района) наносится регулярная сетка с шагом 0,1; 0,5 или 1,0 км. На местности по специально разработанной программе случайного отбора проб отбираются и анализируются пробы в точках, совпадающих с узлами сетки, наложенной на карту-схему. Для получения статистически достоверных средних значений измеренных концентраций проводится анализ комбинаций точек на сетке, объединенных в квадраты, например, площадью (2-4) км 2, с учетом направлений ветра по направлениям. Такой метод позволяет выявить как границы промышленных комплексов и узлов, так и зоны их влияния. При этом обеспечивается возможность сравнения полученных результатов с расчетными данными математических моделей. Использование методов моделирования в этих работах является обязательным.

Если обнаруживается, что существует вероятность роста концентрации примеси выше установленных нормативов, то за содержанием такой примеси в выявленной зоне следует установить наблюдение. Если же такой вероятности нет и отсутствуют перспективы развития промышленности, энергетики и автотранспорта, установление стационарных постов наблюдений за состоянием атмосферного воздуха нецелесообразно. Такой вывод не распространяется на организацию наблюдений за фоновым уровнем загрязнения воздуха вне населенных пунктов.

Установив степень загрязнения атмосферного воздуха всеми примесями выбрасываемыми существующими и намечаемыми к строительству и пуску источниками, а также характер изменения полей концентрации примесей по территории и во времени с учетом карт загрязнения воздуха, построенных по результатам математического и физического моделирования, можно приступить к разработке схемы размещения стационарных постов наблюдений на территории города и программы их работ. Программа разрабатывается исходя из задач каждого измерительного пункта и особенностей изменчивости концентрации каждой примеси в атмосферном воздухе. Пост наблюдений может давать информацию об общем состоянии воздушного бассейна, если пост находится вне зоны влияния отдельных источников выбросов и осуществлять контроль за источниками выбросов, если пост находится в зоне влияния источников выбросов.

При размещении постов наблюдений предпочтение отдается районам жилой застройки с наибольшей плотностью населения, где возможны случаи превышения установленных пороговых значений гигиенических показателей ПДК. Наблюдения должны проводиться за всеми примесями, уровни которых превышают ПДК.

В обязательном порядке измеряются основные, наиболее часто встречающиеся загрязняющие воздух вещества: пыль, диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота. 

Существует перечень соединений, подлежащих определению везде и всегда: бенз[а]пирен, диоксины, хлорированные бифенилы, полиароматические углеводороды и т.д.  Для определения ВВ в воздухе могут быть рекомендованы самые разные методы, выбор которых определяется природой анализируемого вещества и его концентрацией. Если предполагаемое соединение присутствует в количестве, менее 5%, говорят об анализе примесей, менее 10-2% - об определении следов веществ. Если необходим длительный контроль за содержанием какого-либо вещества в данной географической точке, удобно использовать интегрирующие методы. В их основе, как правило, лежат химические процессы. Так, если изучается динамика изменения содержания диоксида серы SO2 в атмосфере в течение 4-6 месяцев, в выбранной точке моделируют "природный объект" (например, куст) из ткани, пропитанной Ва(ОН)2. При наличии в воздушных потоках, перемещающихся в данной местности, SO2 он взаимодействует с гидроксидом с образованием BaSO3, масса которого может быть определена после озоления "псевдокуста". Знание метеорологических характеристик (скорость перемещения масс, их объем и т.д.) позволит рассчитать содержание SO2. 

Выбор других веществ, требующих контроля, определяется спецификой производства и выбросов в данной местности, частотой превышения ПДК.

Контроль за радиоактивным загрязнением атмосферного воздуха осуществляется как на фоновом уровне, так и в зонах влияния атомных электростанций и других источников возможных выделений или выбросов радиоактивных веществ. При контроле радиоактивного загрязнения на фоновом уровне используются существующие фоновые станции или специальные станции, установленные на расстоянии 50-100 км от возможного источника радиоактивного загрязнения. При контроле в радиусе до 25 км от возможных источников выбросов радиоактивных веществ используется как существующая сеть контроля. так и специальные посты наблюдений, где устанавливаются датчики гамма- излучения и приборы для отбора проб и анализа воздуха. Рекомендуется в зоне до 25 км иметь 10-15 специализированных пунктов контроля, оснащенных дистанционными системами и высокопроизводительными фильтрующими воздух установками, а также около 30 дополнительных стационарных пунктов контроля радиационной обстановки, оснащенных интегрирующими термолюминесцентными дозиметрами. При этом в пределах санитарно-защитной зоны создаются посты дистанционного контроля радиоактивного загрязнения атмосферного воздуха. Подсистемы дистанционного контроля оборудуются каналами связи. Для повышения достоверности информации в каждом пункте устанавливается несколько датчиков.

В 80-e годы на базе сетевых снегомерных съемок была создана новая сеть контроля переноса загрязняющих веществ воздушными массами. Мониторинг загрязнения территории на основе снегомерной съемки позволяет контролировать уровни загрязнения атмосферного воздуха как в незагрязненных (фоновых) районах, так и в городах, и других населенных пунктах.

Важными методами контроля так называемого трансграничного переноса глобальных потоков примесей, переносимых на большие расстояния от места выброса, является система наземных и самолетных станций, сопряженных с математическими моделями распространения примесей. Сеть станций трансграничного переноса оборудуется системами отбора газа и аэрозолей, сбора сухих и мокрых выпадений анализа содержания примесей в отобранных пробах. Информация поступает в метеорологические синтезирующие центры, которые осуществляют:

• сбор, анализ и хранение информации о трансграничном переносе примесей в атмосфере;
• прогнозирование переноса примесей на основе метеорологических данных;
• идентификацию районов выбросов и источников;
• регистрацию и расчет выпадений примесей из атмосферного воздуха на подстилающую поверхность и другие работы.

В целях сопоставимости результатов наблюдений, полученных в разных географических и временных условиях, используются единые унифицированные методы отбора и анализа проб, обработки и передачи информации. Информация, получаемая на сети наблюдений, по степени срочности подразделяется на три категории: экстренная, оперативная и режимная. Экстренная информация содержит сведения о резких изменениях уровней загрязнения атмосферного воздуха и передается в соответствующие (контролирующие, хозяйственные) организации незамедлительно. Оперативная информация содержит обобщенные результаты наблюдений за месяц, а режимная - за год. Информация по последним двум категориям передается заинтересованным и контролирующим организациям в сроки их накопления: ежемесячно и ежегодно. Режимная информация, содержащая данные о среднем и наибольшем уровнях загрязнения воздуха за длительный период, используется при планировании мероприятий по охране атмосферы, установлении нормативов выбросов, оценках ущерба, наносимого народному хозяйству загрязнением атмосферного воздуха.

Для того чтобы воздухо-охранные мероприятия были эффективными, информация должна быть полной и достоверной. Полнота информации определяется числом контролируемых ингредиентов, сроками наблюдений, размещением сети наблюдений. Достоверность информации достигается строгим соблюдением нормативных требований, обеспечивающих получение репрезентативных данных, однородность информации, полноту наблюдений, правильность статистической обработки и санитарно-гигиенической оценки по данным наблюдений загрязнения атмосферного воздуха, корректность объяснения причин повышенных уровней загрязнения и тенденций (или их отсутствие) изменения уровней загрязнения атмосферного воздуха во времени и по территории, учет метеорологических условий переноса и рассеяния примесей режима выбросов в данном районе.

Достоверность информации в значительной степени зависит от ее однородности. Необходимо иметь однородный ряд наблюдений за период, для которого средние характеристики оказываются достаточно устойчивыми и слабо зависящими от новых результатов измерений. В городах в результате застройки и реконструкции происходят изменения микроклиматических и метеорологических условий, поэтому получение среднего значения концентрации примеси для периода, в который меняется характер воздействия источников выбросов на атмосферу, является проблемной задачей. Средние годовые концентрации из-за  погрешностей измерений, неоднородности рядов наблюдений, изменения метеоусловий и структуры городской застройки, могут значительно варьировать. В связи с этим для повышения качества воздухо-охранных рекомендаций необходимо использовать данные наблюдений за более длительные сроки (5 лет).

Существующая в нашей стране сеть наблюдений загрязнения атмосферного воздуха включает посты ручного отбора проб воздуха и автоматизированные системы наблюдений и контроля окружающей среды (АНКОС). Посты наблюдений загрязнения (ПНЗ) могут быть стационарными, маршрутными и передвижными (подфакельными). С постов ручного отбора пробы для анализа доставляются в химические лаборатории. Системы АНКОС являются стационарными, они оснащены устройствами непрерывного отбора и анализа проб воздуха и передачи информации по каналам связи в центр управления и регулирования состоянием атмосферного воздуха в заданном режиме [5].

2.4.Посты наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха

Стационарный пост наблюдений - это специально оборудованный павильон, в котором размещена аппаратура, необходимая для регистрации концентраций загрязняющих веществ и метеорологических параметров по установленной программе. Из числа стационарных постов выделяются опорные стационарные посты, которые предназначены для выявления долговременных изменений содержания основных или наиболее распространенных загрязняющих веществ. 

Место для установки стационарного поста выбирается, как правило, с учетом метеорологических условий формирования уровней загрязнения атмосферного воздуха. При этом заранее определяется круг задач: оценка средней месячной, сезонной, годовой и максимальной разовой концентраций, вероятности возникновения концентраций, превышающих ПДК и др.

Перед установкой поста следует проанализировать: 

1.расчетные поля концентраций по всем ингредиентам от совокупности выбросов всех стационарных и передвижных источников; 

2.особенности застройки и рельефа местности: перспективы развития жилой застройки и расширения предприятий промышленности, энергетики, коммунального хозяйства; 

3.транспорта и других отраслей городского хозяйства, функциональные особенности выбранной зоны; 

4.плотность населения; 

5.метеорологические условия данной местности и др.

Пост должен находиться вне аэродинамической тени зданий и зоны зеленых насаждений, его территория должна хорошо проветриваться, не подвергаться влиянию близкорасположенных низких источников (стоянок автомашин, мелких предприятий с низкими выбросами т.п.). 

Количество стационарных постов в каком-либо городе (населенном пункте) определяется численностью населения, рельефом местности, особенностями промышленности, функциональной структурой (жилая, промышленная, зеленая зона и т.д.), пространственной и временной изменчивостью полей концентраций вредных веществ. 

Так, например, исходя из численности населения, количество постов определяется следующим образом (см. табл. 2.2):

Таблица 2.4. Зависимость количества стационарных постов от численности населения

 

Для населенных пунктов со сложным рельефом и большим числом источников рекомендуется устанавливать один пост на каждые (5-10) км2. Чтобы информация о загрязнении воздуха учитывала особенности города, рекомендуется ставить посты наблюдений в различных функциональных зонах - жилой, промышленной и зоны отдыха. В городах с большой интенсивностью движения автотранспорта посты устанавливаются также и вблизи автомагистралей.

Для обеспечения оптимальных условий проведения стационарных наблюдений отечественной промышленностью выпускаются стандартные павильоны-посты наблюдений или комплектные лаборатории типа ПОСТ. Лаборатория ПОСТ - это утепленный, обитый дюралевыми ячейками павильон, в котором установлены комплекты приборов и оборудования для отбора проб воздуха, проведения метеорологических измерений: скорости и направления ветра, температуры, влажности. Практически все стационарные пункты контроля загрязнения оборудованы комплектными лабораториями ПОСТ-1. Выпускаются и устанавливаются более новые модификации  лаборатории - ПОСТ-2 и ПОСТ-2a, которые отличаются более высокой производительностью   отбора проб и степенью автоматизации.

На стационарных постах, наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха и метеорологическими параметрами должны проводиться круглогодично, во все сезоны, независимо от погодных условий. 

Для постов наблюдений, как правило, устанавливаются три программы наблюдения: полная, неполная и сокращенная. По полной программе наблюдения проводятся ежедневно (выходные-воскресенья, субботы - чередуются) в 1, 7, 13 и 19 часов местного декретного времени, либо по скользящему графику: вторник, четверг, суббота - 7, 10 и 13 ч; понедельник, среда, пятница - 15, 18 и 21 ч. Наблюдения по первой программе предусматривают измерения содержания в воздухе как основных, так и специфических загрязняющих веществ. По неполной программе наблюдения проводятся ежедневно (воскресенья и субботы чередуются), но только в 7. 13 и 19 ч местного декретного времени.

В районах, где температура воздуха ниже 45oС, наблюдения проводятся по сокращенной программе ежедневно, кроме воскресенья, в 7 и 13 ч по местному декретному времени. Наблюдения по сокращенной программе допускается проводить также в местах, где средние месячные концентрации меньше 1/20 ПДКм.р. или меньше нижнего предела диапазона измерений примеси используемым методом.

При неблагоприятных метеорологических условиях (туман, продолжительная инверсия температур и др.) отбор проб воздуха на всех постах  наблюдений должен производиться через каждые 3 ч. Одновременно следует отбирать пробы под факелами основных источников загрязнения на территории наибольшей плотности населения. Подфакельные наблюдения осуществляются за характерными для данного предприятия примесями.

Стационарный пункт контроля радиоактивного загрязнения атмосферного воздуха представляет собой либо стационарный павильон типа ПОСТ, либо домик размером 3х3х3 м. Он устанавливается, как правило, на специально оборудованных гидрометеорологических станциях (ГМС), огороженных металлической сеткой с размером ячеек 10х10 см. Площадь огороженной площадки составляет 5х10 м, а высота сетки - 1,2-1,5 м. Площадка должна располагаться на расстоянии не менее десяти высот до ближайшего здания и не менее 30 м от дорог. Площадка должна иметь травяной покров. Не допускается высаживание других растений, тем более кустарников и деревьев.

На территории ГМС не ближе 4 м от домика и ограды устанавливается марлевый планшет для сбора радиоактивных выпадений и термолюминесцентный дозиметр. Установку для отбора проб воздуха лучше размещать в специальной будке с жалюзи, приподнятой над поверхностью земли на 80 - 100 см. Выброс воздуха, прошедшего через фильтры установки типа "Тайфун", должен производиться обязательно в противоположную от планшета сторону. Если стационарный пункт не обеспечен электропитанием (трехфазное  (5-10) кВт), то вместо фильтрующей установки допускается использование марлевого конуса.

Наблюдение за радиоактивностью атмосферного воздуха осуществляется систематически круглый год. Смена марли на планшетах и вертикальных экранах, а также фильтров в установках производится ежедневно в 7 ч 30 мин утра по местному декретному времени. С фильтрующих установок фильтры могут сниматься как через 24 ч - в 7 ч 30 мин, - так и через 12 ч, т.е. два раза в сутки. При двухразовом отборе установлено время работы установок: с 7 ч 30 мин до 13 ч 30 мин и с 19 ч 30 мин до 1 ч 30 мин. Скорость воздуха в установке определяется с помощью расходомеров УС-125 или УС-175-12 три раза в сутки: в 7ч 30 мин, 13 ч 30 мин и 1 ч 30 мин.

Средняя скорость воздуха, проходящего через фильтры, помещенные в кассетный фильтродержатель, определяется по формуле:

где V1,   V2 и V3 - значения скорости соответственно в 7 ч 30 мин, 13 ч 30 мин  и 1 ч 30 мин следующих суток (км/ч). 

Объем  прошедшего через фильтры воздуха (Q, м3/ч) находится из соотношения:

где S-площадь сечения сопла измерительной насадки (S = 70 см 2), t - время работы установки, ч.

Для определения количества воздуха, прошедшего через экран, ручной анемометр помещают над центром экрана, и скорость ветра измеряют четыре раза в сутки: в 7 ч 30 мин, 13 ч 30 мин, 19 ч 30 мин и 1 ч 30 мин. 

Среднюю скорость ветра определяют как среднее арифметическое, а объем воздуха, прошедшего через экран, находят по уравнению:

здесь S1 - площадь экрана, м2; t - время экспозиции экрана, с: f-продуваемость экрана, равная примерно 45%.

Маршрутный пост наблюдений - место на определенном маршруте в городе. Он предназначен для регулярного отбора проб воздуха в фиксированной точке местности при наблюдениях, которые проводятся с помощью передвижной аппаратуры. Маршрутные наблюдения осуществляются на маршрутных постах с помощью автолабораторий. Такая передвижная лаборатория имеет производительность около 5000 отборов проб в год, в день на такой машине можно произвести отбор 8 - 10 проб воздуха. Порядок объезда маршрутных постов ежемесячно меняется таким образом, чтобы отбор проб воздуха на каждом пункте проводился в разное время суток. Например, в первый месяц машина объезжает посты в порядке возрастания номеров, во втором - в порядке их убывания, а в третий - с середины маршрута к концу и от начала к середине и т.д.

Передвижной (подфакельный) пост предназначен для отбора проб под дымовым (газовым) факелом с целью выявления зоны влияния данного источника. Подфакельные наблюдения осуществляются по специально разрабатываемым программам и маршрутам за специфическими загрязняющими веществами, характерными для выбросов данного предприятия. Места отбора проб при подфакельных наблюдениях выбирают на разных расстояниях от источника загрязнения с учетом закономерностей распространения загрязняющих веществ в атмосфере. Отбор проб воздуха производится последовательно по направлению ветра на расстояниях (0,2 - 0,5); 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 15 и 20 км от стационарного источника выброса, а также с наветренной стороны источника. Наблюдения под факелом проводятся за типичными для данного предприятия ингредиентами с учетом объема выбросов и их токсичности. В зоне максимального загрязнения (по данным расчетов и экспериментальных замеров) отбирается не менее 60 проб воздуха, а в других зонах минимум должен быть не меньше 25. Отбор проб воздуха при проведении подфакельных наблюдений производится на высоте 1,5 м от поверхности земли в течение 20 - 30, мин не менее чем в трех точках одновременно. В течение рабочего дня под факелом можно отобрать пробы последовательно в 5 - 8 точках [5].

2.5.Автоматизированная система наблюдений и контроля окружающей среды.

   Автоматизированная система наблюдений и контроля окружающей среды (АНКОС-АГ) предназначена для автоматизированного сбора, обработки и передачи информации об уровне загрязнения атмосферного воздуха. Система позволяет непрерывно получать информацию о концентрации примесей и метеорологических параметрах в населенных пунктах или около крупных промышленных предприятий. Технические возможности регистрации, передачи, хранения и обработки данных о загрязнении атмосферного воздуха позволили разработать основные принципы функционирования автоматизированных систем наблюдения за состоянием атмосферного воздуха.

В состав разработанной отечественной промышленностью АНКОС-АГ входят следующие технические средства:

• павильон, конструктивно представляющий собой металлический каркас прямоугольной формы размером 2300x4700x7600 мм;
• мачтовое устройство с комплектом метеодатчиков, установленных на крыше павильона, для измерения скорости и направления ветра, температуры, влажности;
• устройства отопления, вентиляции, освещения, кондиционирования и пожаротушения;
• газоанализаторы оксида углерода, диоксида серы, оксида, диоксида и суммы оксидов азота, озона, суммы углеводородов без метана;
• устройство сбора и обработки информации на базе микроЭВМ.

Обмен информацией между системой АНКОС и Центром обработки информации осуществляется по коммутируемым телефонным каналам общего пользования при помощи аппаратов передачи данных (АПД) и мультиплексора передачи данных (МПД). АПД, устанавливаемые на станциях АНКОС, совместно с АПД и МПД Центра обработки информации образуют автоматическую централизованную подсистему сбора информации от систем АНКОС. размещенных по городу или региону. Состав технических средств центра обработки информации:

• специализированный вычислительный комплекс на базе ЭВМ;
• мультиплексор передачи данных на базе микроЭВМ;
• пульт диспетчера;
• мнемосхема;
• вспомогательное и сервисное оборудование;
• программное обеспечение (пакета программ первичной и вторичной обработки данных измерений, банки данных, диспетчерские программы и др.).

Системы АНКОС-АГ и Центра обеспечивают:

• систематическое измерение заданных параметров атмосферного воздуха;
• автоматический сбор информации со станций АНКОС;
• сбор информации от неавтоматизированных звеньев наблюдений (например, от стационарных и передвижных постов);
• оперативную оценку ситуации по известным значениям ПДК;
• краткосрочный прогноз уровней загрязнения контролируемых примесей;
• обработку и выдачу информации.

Средства математического обеспечения включают следующие основные алгоритмы обработки данных:

• алгоритм первичной обработки (проверка достоверности служебной информации о загрязнении, приведение информации к виду, удобному для обработки и др.);
• алгоритм статистической обработки (определение числовых, вероятностных характеристик параметров загрязнения, метеорологических параметров и др.);
• алгоритм экспресс-информации о состоянии загрязнения во всех районах города в заданный момент времени;
• алгоритм краткосрочного и долгосрочного прогнозирования загрязнения воздуха;
• алгоритм управления, определяющий временной режим работы системы, последовательность этапов функционирования, контроль работоспособности системы, приоритет программ обработки данных и др.

Время усреднения данных о концентрациях примесей составляет не менее 20 - 30 мин, что соответствует времени отбора проб в поглотительные приборы. Частота выдачи информации автоматизированной системы может составлять от нескольких минут до нескольких часов [5].

2.6.Отбор проб атмосферного воздуха для анализа.

Отбор пробы – важнейшая часть аналитической процедуры определения примесей токсичных соединений в загрязненном воздухе. Результаты самого точного и тщательно выполненного анализа теряют всякий смысл в случае неправильной подготовки к отбору пробы  и неверного его выполнения [6, с.23].

Главными моментами пробоотбора являются:

1. получение представительной пробы (газы, пары, аэрозоли и твердые частицы), отражающей реальный состав анализируемого воздуха;
2. накопление в ловушке-концентраторе достаточного для аналитического определения количества вещества.

Отбор проб атмосферного воздуха осуществляется через поглотительный прибор аспирационным способом путем пропускания воздуха с определенной скоростью или заполнения сосудов ограниченной емкости. Для исследования газообразных примесей пригодны оба метода, а для исследования примесей в виде аэрозолей (пыли) - только первый.

В результате пропускания воздуха через поглотительный прибор осуществляется концентрирование анализируемого вещества в поглотительной среде. Для достоверного определения концентрации вещества расход воздуха должен составлять десятки и сотни литров в минуту.

Для отбора проб воздуха используются электроаспираторы, пылесосы и другие приборы и устройства, пропускающие воздух, а также устройства, регистрирующие объем пропускаемого воздуха (реометры, ротаметры и другие расходомеры).

Учитывая, что метеорологические факторы определяют перенос и рассеяние вредных веществ в атмосферном воздухе, отбор проб воздуха должен сопровождаться наблюдениями за дымовыми факелами источников выбросов и основными метеорологическими параметрами, к числу которых относятся: скорость и направление ветра, температура и влажность воздуха, атмосферные явления, состояние погоды и подстилающей поверхности. 

Результаты наблюдений записываются в рабочий журнал гидромет наблюдателя, а обработанные результаты - в книжку записи наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха и метеорологическими элементами (КЗА-1).[5]

Для определения максимальных разовых концентраций загрязнителей, интересующих специалистов промышленной и коммунальной гигиены, вполне достаточным является пробоотбор в течении 30 мин. (а иногда и более кратковременный) в соответствии с принятым ГОСТом для воздуха рабочей зоны  и гигиеническими требованиями для атмосферного воздуха. Однако, все большее значение придается усредненным результатам анализа воздуха, полученным за определенный промежуток времени (например, за рабочую смену 4 – 8 ч). Такие определения часто включают в систему мониторинга с помощью непрерывно действующих анализаторов воздуха (для атмосферы и воздуха производственных помещений) или с помощью миниатюрных аспирационных устройств с сорбентом, закрепленным на груди работающего. В последнем случае результаты анализов могут быть получены непосредственно (линейно-колористический метод) или в лаборатории после рабочей смены, где с помощью хроматографических или спектральных методов анализируют примеси, извлеченные из использованного сорбента.  

Существующие способы улавливания (накопления) различных вредных веществ из воздуха сводятся к отбору  загрязненного воздуха в контейнеры, абсорбции загрязняющих воздух примесей растворителем, вымораживанию примесей и поглощению их в трубках с сорбентом, а также концентрированию на   фильтрах твердых частиц и жидких аэрозолей [6, с.24]. Выбор варианта накопления компонентов пробы будет определяться их концентрацией и особенностями использующегося в дальнейшем метода анализа. 

Процесс накопления компонентов может быть совмещен с его обнаружением (например, при использовании индикаторных трубок). Индикаторными трубками на уровне ПДКр.з. могут быть обнаружены H2S, SO2, фосген, HCN, ртуть. При наличии в пробе этих веществ при концентрациях, равных ПДКр.з. или превышающих их, наблюдается появление у трубки окраски. Метод не очень удобен, так как интенсивность окраски будет зависеть от скорости движения пробы через трубку, а количественное определение просто невозможно. Бесспорным достоинством индикаторной трубки является простота ее изготовления, что позволяет быстро и при наличии минимальных навыков у работающего получить инструмент для анализа. 

Рассмотрим более подробно методы накопления компонентов пробы. 

Отбор проб в контейнеры.

Метод используют на практике анализа воздуха редко из-за отсутствия обогащения пробы. Этот способ отбора  пробы (стеклянные пипетки, стальные сосуды, полимерные мешки)обычно применяют для очень летучих веществ и тех, которые слабо сорбируются даже на активном угле (оксид и диоксид углерода, гексафторид серы, фторид сульфурила, метилацетилен, смесь метилацетилена и пропандиена и др.). При отборе в контейнеры (например, в стеклянную пипетку вместимостью  1 – 2 л) анализируемый воздух со скоростью 0,2 – 0,5 л/мин пропускают через сосуд, причем кратность обмена воздуха должна быть не ниже 6 – 10. Иногда воздух засасывают в предварительно эвакуированную пипетку, но следует принимать меры предосторожности на случай возможного разрушения контейнера под действием вакуума, например, оборачивать пипетку тканью.

При хранении проб воздуха в контейнерах даже в течении непродолжительного времени необходимо учитывать возможность химических реакций, в которых принимает участие также водяной пар и кислород воздуха. Возможно изменение состава пробы при хранении за счет адсорбции примесей на стенках контейнера. В случае реакционноспособных веществ эти потери могут достигать 40%.

Отобранные в контейнеры пробы анализируют чаще всего методом газовой хроматографии, причем на анализ берут аликвотную часть пробы (1 – 10 мл) с помощью газового шприца. При необходимости выполнения колориметрического определения  (для обнаружения концентрации 10-4 %  требуется проба 1 – 2 л) реакцию можно проводить в самом контейнере.

Для определения очень низких концентраций фреонов в атмосфере рекомендуются пробоотборники в виде цилиндров из нержавеющей стали массой 1 – 2 кг. Такие сосуды рассчитаны на длительное хранение пробы при концентрации хлорфторуглеводородов 10-7 – 10-8 % [6, с. 26].

Также используются контейнеры, представляющие собой мешки вместимостью 1 – 100 л из полимерной пленки, снабженные специальным вентилем или ниппелем для заполнения. Мешки отличаются малой и высокой прочностью, из них можно отобрать любое количество воздуха путем легкого надавливания.

2.6.1.Абсорбция примесей.

Метод относят к наиболее распространенным. Достоинства  метода заключаются в возможности одновременного концентрирования примесей, в широком диапазоне анализируемых веществ (кроме аэрозолей и твердых частиц) и высокой селективности определения, которая обуславливается выбором соответствующего растворителя. Кроме этого, упрощается предварительная обработка пробы.

К недостаткам метода следует отнести невозможность получения представительной пробы при наличии в воздухе аэрозолей и твердых частиц, а также невысокую степень обогащения пробы при анализе микро примесей. Последнее обстоятельство связано с достаточно высоким разбавлением пробы, поскольку при отборе применяют не менее 5 – 10 мл поглотительного раствора.

Отбор проб в растворы осуществляется пропусканием загрязненного воздуха через поглотительную склянку (абсорбер), содержащую несколько миллилитров какого-либо растворителя в зависимости от состава пробы. Скорость аспирирования может меняться в широких пределах – от 0,1 до 30 л/мин [6, с. 27].

Наиболее эффективными для абсорбции примесей из воздуха является поглотитель с пористой пластинкой, в котором благодаря большой поверхности раздела фаз (мелкие пузырьки воздуха) эффект поглощения примесей выше, чем в жидкостных поглотителях других конструкций. Абсорберы с пористой пластинкой являются наиболее экономичными с точки зрения объема используемой жидкости (чем меньше жидкости, тем выше степень обогащения пробы при прочих равных условиях).

Выбирая поглотительную жидкость следует учитывать ее летучесть, так как могут происходит ее значительные потери вследствие испарения.

Полнота поглощения зависит от природы анализируемых примесей и абсорбента, их концентрации, скорости потока воздуха, температуры абсорбера, его конструкции и некоторых других факторов. Выбирая поглотительный раствор, можно проводить селективный отбор пробы, например, поглощать дистиллированной водой растворимые в ней соединения. 

Особенно эффективным является поглощение, основанное на химических реакциях абсорбируемых веществ с поглотителем.

Абсорбция примесей органическим растворителем позволяет повысить концентрацию вещества в пробе  примерно в 10 раз. Степень обогащения пробы можно увеличить еще больше, если анализировать не поглотительную жидкость, а равновесную с ней газовую фазу над раствором. Метод анализа равновесной паровой фазы используют для анализа примесей в самых различных объектах, в том числе и в загрязненном воздухе. После абсорбции примесей и анализа газовой фазы над раствором удалось определить в воздухе следовые концентрации уксусной кислоты, микропримеси оксида углерода, формальдегида, ароматических углеводородов, хлоропрена, бензола, акрилонитрила и других органических веществ [6, с.30].

2.6.2.Вымораживание примесей.

Это прием концентрирования примесей используют в основном при анализе воздуха методом газовой хроматографии. Он заключается в вымораживании токсичных примесей из загрязненного воздуха при температурах существенно более низких, чем температура кипения улавливаемых примесей. Техника криогенного концентрирования примесей сводится к аспирированию воздуха через охлаждаемую ловушку (конденсатор) с достаточно большой поверхностью. В качестве ловушки используют полые металлические капилляры; стальные или стеклянные трубки, заполненные инертным материалом (стеклянная вата, металлическая стружка или спираль, медные дробинки, стеклянные шарики и др.) для увеличения конденсирующей (охлаждающей) поверхности. В качестве хладагентов используют различные вещества и смеси в зависимости от требуемой температуры ловушки: лед – вода (00С), лед – хлорид натрия (-160С), твердый диоксид углерода – ацетон (-800С), жидкий воздух (-1470С), жидкий кислород (-1830С), жидкий азот (-1950С)[6, с.30].

Прием вымораживания примесей незаменим при анализе неустойчивых и реакционноспособных соединений. Криогенное концентрирование примесей СlO2 в стеклянной колонке со стекловолокном при -800С  позволяет отделить это токсичное и чрезвычайно  вещество от озона, хлора, оксидов азота и хлороводорода и сконцентрировать для последующего определения и сконцентрировать для последующего определения колориметрическим или титриметрическим методом.

Еще более эффективно концентрирование примесей в охлаждаемых ловушках, заполненных сорбентом. В этом случае не требуется глубокого охлаждения ловушки, и часто вполне достаточно использовать «сухой лед» (непригодны для поглощения CO и углеводородов С1 – С3).

2. Адсорбция примесей.

Сорбция на твердых сорбентах – основной способ отбора проб, сочетающийся с концентрированием микропримесей токсичных веществ из загрязненного воздуха. Техника пробоотбора на сорбенты заключается в аспирировании больших объемов воздуха через слой сорбента с высокоразвитой поверхностью и последующим извлечении сконцентрированных примесей при нагревании ловушки (газовая хроматография) или с помощью растворителей – экстрагентов (спектральные, хроматографические, электрохимиечские методы анализа). Достоинства метода: пробоотборные трубки с твердыми сорбентами легко применять и транспортировать, простота и надежность определения многих токсичных соединений.

В качестве сорбентов для заполнения пробоотборных трубок применяют различные угли, силикагели и многочисленные пористые полимеры (табл. 2.5.), позволяющие эффективно извлекать примеси загрязнителей из воздуха.

 

В выборе поглотительной среды (пластиковые мешки, жидкостные поглотители, трубки с сорбентом, фильтры или комбинации из этих элементов) следует использовать такую среду, которая была бы совместима с ограниченным  числом недорогих и доступных аналитических методов с учетом специфики анализируемых примесей, относящихся к токсичным химическим соединениям с широким интервалом опасности. К наиболее часто используемым аналитическим методам относят жидкостную хроматографию высокого давления, газовую хроматографию, атомно-абсорбционную спектроскопию, полярографию, колориметрию и потенциометрию с ионоселективными электродами [6, с. 35].

Сорбенты для концентрирования примесей из воздуха должны удовлетворять следующим требованиям:

1. эффективно улавливать из воздуха низкие концентрации загрязнителей и сохранять их до анализа;
2. иметь достаточно большую сорбционную емкость;
3. не взаимодействовать с загрязнителями при хранении пробы;
4. эффективно сорбировать загрязнители в присутствии других примесей;
5. не выделять веществ, приводящих к появлению «ложных загрязнений». Должны существовать удобные и количественные методы извлечения примесей из сорбента.
6. Метод сорбции очень эффективен и дает возможность анализировать широкий круг веществ, находящихся в воздухе в виде газов и паров. Достоинствами метода являются также сохранность пробы при хранении и транспортировке, простота и дешевизна.

Главной трудностью при концентрировании примесей на сорбентах является выбор достаточно эффективного способа десорбции. Кроме того, при определении токсичных веществ очень низких концентраций приобретает значительно большее влияние накопление на сорбентах паров воды и микропримесей диоксида углерода. Перечислим основные твердые сорбенты, применяемые для адсорбции паров и газов при анализе воздуха, и число адсорбируемых ими соединений: активный уголь и углеродсодержащие сорбенты – 139, полимерные сорбенты – 131, насадочные хроматографические колонки – 43, силикагель – 84, молекулярные сита – 6, оксид алюминия – 6, прочие сорбенты – 3.[6, с.36]

2.6.3.Улавливание твердых частиц и аэрозолей. 

Попадающие в воздух из индустриальных и природных источников твердые частицы (пыль, сажа, пестициды, ПАУ и др.) или частицы аэрозоля (ВМС, металлы, неорганические соли и др.) значительно превышают размеры атомов и молекул и не улавливаются обычным сорбентами. для этих целей применяют различные устройства (электростатические ловушки, каскадные импакторы, циклоны и др.), позволяющие с высокой точностью отбирать из воздуха аэрозольные частицы различных размеров. для химического анализа воздуха чаще всего используют различные фильтры: из стекловолокна, керамики, тефлона (улавливание реакционноспособных веществ), полиамида, полисульфона, полиакрилонитрила, поливинилхлорида и других материалов, которые практически полностью задерживают  аэрозоли с размером частиц 0,1 – 0,2 мкм.

после отбора пробы воздуха сконцентрированные на фильтре загрязнения растворяют в сильных кислотах или щелочах (неорганические соединения) или в органических растворителях (органические вещества). к недостаткам этого метода десорбции следует отнести длительность процесса экстракции пробы.

Широко используется прием пропитки пробы. При длительном отборе проб ПАУ на фильтр из стекловолокна происходят потери летучих ПАУ, например флуорантена. Для предотвращения этого фильтры пропитывают глицерилтрикаприлатом, а для одновременного улавливания из воздуха диоксида серы и сульфатов  в низких концентрациях фильтры из целлюлозы пропитывают раствором тетрахлормеркурата.

При отборе обычно улавливаемых на фильтр металлов (пыль и аэрозоль), органических и неорганических солей и органических соединений с очень низким давлением паров, особенно в тех случаях, когда в анализируемом воздухе возможно наличие значительных концентраций паров анализируемого вещества (например, при анализе пестицидов), очень важно определить соотношение: пары – частицы. Это поможет правильно выбрать соответствующие фильтры и адсорбенты и уменьшит погрешность определения примесей, связанную с пробоотбором. Следует иметь в виду, что отношение пары – частицы может также зависеть от концентрации и размера пробы. При этом надо провести индивидуальную оценку сорбционной емкости сорбента и поглотительной способности фильтра.

В некоторых случаях необходимо использовать большую трубку с углем, низкую скорость потока воздуха и ограниченный размер пробы, чтобы избежать потерь анализируемого вещества, связанных с проскоком. Если учесть, что при отборе большинства аэрозолей скорость аспирирования воздуха очень велика и может доходить до десятков и сотен литров в минуту, ясно, что при выборе условий пробоотбора, когда наряду с аэрозольными частицами в исследуемом воздухе присутствуют пары легколетучих соединений, неизбежен компромисс.

Помимо летучести соединений пробы при улавливании токсичных веществ на фильтры следует учитывать также потери пробы в результате оседания твердых частиц, выдуваемых потоком воздуха из фильтра, на кассете фильтра, особенно при длительном пробоотборе. Потери могут происходить и из-за негерметичности изоляции кассеты. Поэтому смыв из внутренней части кассеты следует добавлять к общему экстракту пробы.[6, с.56]

При наблюдениях за уровнем загрязнения атмосферы могут использоваться следующие режимы отбора проб:

• разовый, продолжающийся 20-30 мин;
• дискретный, при котором в один поглотительный прибор или на фильтр через равные промежутки времени в течении суток отбирают несколько (от 3 до 8) разовых проб;
• суточный, при котором отбор в один поглотительный прибор или фильтр производится непрерывно в течении суток.

В соответствии с режимами отбора, пробы подразделяются на разовые (период отбора 20 - 30 мин) и средние суточные (определяются путем осреднения не менее четырех разовых проб атмосферного воздуха, отобранных через равные промежутки времени в течение суток). Обычно для получения средних суточных значений концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе пробы воздуха отбирают в 7, 13, 19 и 01 ч по местному декретному времени. Средняя суточная концентрация может быть получена и при более частых отборах проб воздуха в течение суток, но обязательно через равные промежутки времени. Наилучшим способом получения средних суточных значений является непрерывный отбор проб воздуха в течение 24 ч.

Методы дискретного отбора проб воздуха для последующего анализа в химической лаборатории несомненно важны и необходимы в общей системе наблюдений загрязнения атмосферного воздуха. Однако при получении информации о загрязнении атмосферного воздуха только в сроки 7, 13 и 19 ч нельзя быть уверенным в объективности информации о средней суточной концентрации. Не исключено, что в промежуточные сроки наблюдались значительно более высокие или более низкие концентрации. По данным таких дискретных наблюдений нельзя установить суточный ход концентрации примеси и его зависимость от метеорологических условий. Поэтому на пунктах наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха (ПНЗ) используются газоанализаторы позволяющие восполнить пробел в ручных методах дискретного отбора проб и представляющие информацию о суточном ходе концентрации по записи на диаграммной ленте. 

Наиболее широко используются на ПНЗ следующие газоанализаторы: для диоксида серы - кулонометрический газоанализатор (ГПК-1) и флюоресцентный газоанализатор (667ФФ), оксида углерода - оптико-акустический (ГМК-З), оксида, диоксида и суммы оксидов азота - хемилюминесцентный (645ХЛ), углеводородо-ионизационный (623ИН), озона - хемилюминесцентный (652ХЛ) [5].

2.7.Сбор и обработка данных о загрязнении атмосферного воздуха

Данные о результатах наблюдений загрязнения атмосферного воздуха и метеорологических параметров, о результатах подфакельных и других наблюдений поступают со стационарных и маршрутных постов в одно из подразделений местных органов Госкомгидромета, чаще всего в отделы обеспечения информацией народно-хозяйственных организаций управлений по гидрометеорологии, где они проходят контроль и сводятся в специальные таблицы, так называемые таблицы наблюдений за загрязнением атмосферы (ТЗА), таблицы подразделяются на четыре вида:  ТЗА-1,  ТЗА-2,  ТЗА-3 и ТЗА-4:

• ТЗА-1 - результаты разовых наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха сети постоянно действующих стационарных и маршрутных постов в одном городе или промышленном центре, а также данные метеорологических и аэрологических наблюдений;
• ТЗА-2 - результаты подфакельных наблюдений;
• ТЗА-3 - данные средних суточных наблюдений за выпадением и концентрацией пыли и газообразных примесей;
• ТЗА-4 - данные суточных наблюдений с помощью газоанализаторов или других приборов и устройств непрерывного действия [5].

2.8.Математическое моделирование процессов рассеяния вредных веществ в атмосферном воздухе

Загрязнение атмосферы характеризуется большой пространственно-временной неоднородностью. Обусловлена она расположением источников выбросов, их мощностью, а также изменением условий погоды и режима выбросов в атмосферу. Поскольку процессы в атмосфере сложны и многообразны, а число определяющих факторов достаточно велико, наряду с организацией сети наблюдений за загрязнением воздуха значительное развитие получило математическое моделирование процессов распространения загрязняющих атмосферу веществ от их источников на основе турбулентной диффузии.[7,с.4]

Чтобы получить информацию о пространственной изменчивости концентраций вредных веществ в воздухе и по экспериментальным данным составить карту загрязнения воздуха, необходимо систематически проводить отборы проб воздуха в узлах регулярной сетки с шагом не более 2 км. Такая задача практически невыполнима. Поэтому для построения полей концентрации используются методы математического моделирования процессов рассеяния примесей в атмосферном воздухе, реализуемые на ЭВМ. Математическое моделирование предполагает наличие достоверных данных о метеорологических особенностях и параметрах выбросов. Применимость моделей к реальным условиям проверяется по данным сетевых или специально организованных наблюдений. Расчетные концентрации должны совпадать с наблюдаемыми в точках отбора проб.

Моделью может служить любая алгоритмическая или аналоговая система, позволяющая имитировать процессы рассеяния примесей в атмосферном воздухе.

Для исследования сложных процессов в объектах, изменяющихся с течением времени, применяются дескриптивные (описательные) математические модели в виде дифференциальных уравнений (или систем дифференциальных уравнений). Уравнения моделей составляются на основании физических, химических, биологических законов. Решения таких систем дифференциальных уравнений являются функциями времени и, следовательно, могут описывать изменения во времени процессов, происходящих внутри моделируемых объектов.
   
   Модели делятся на два основных типа: 

• c сосредоточенными параметрами -  в виде обыкновенных дифференциальных уравнений. Эти модели действительны для описания процессов, которые не зависят от координат (сосредоточены в точке). 
• с распределенными параметрами - в виде дифференциальных уравнений с частными производными. Их решения зависят как от времени, так и от координат области решения. 

Уравнения классифицируются по числу координат области решения на: 

• одномерные 
• двумерные (на плоскости) 
• трехмерные (пространственные). 

   Большинство уравнений математических моделей представляют собой весьма сложные системы уравнений, как правило, не допускающие аналитического (в виде единой функции) решения. Их решения приходится находить приближенно, путем дискретизации решений по времени и по пространственным координатам, т. е. с помощью построения пространственно-временных сеток.   
   Деления сетки по времени обычно называют временными слоями. Координатные сетки составляются из узлов - фиксированных значений координат, в которых и вычисляются значения функций решения.
   Интервал времени между временными слоями называют шагом по времени, а интервал между узлами координат - шагом по координате.
   Выбор указанных выше значений шага является фундаментальной математической задачей аппроксимации (приближения) дифференциальных уравнений разностными уравнениями  и подробнейшим образом обсуждается в классических работах из области математики.Эта задача является принципиально важной по той причине, что точность получаемого решения существеннейшим образом зависит от выбора шага сетки решения. 

Вообще говоря, для повышения точности шаг следует уменьшать (но при этом возрастает время решения). При выборе завышенного шага решения может также возникнуть явление, называемое потерей устойчивости решения. При этом функция решения очень быстро возрастает (или меняет знак). 

В нашей стране наибольшее распространение получила модель профессора М.Е. Берлянда. В соответствии с этой моделью степень загрязнения атмосферного воздуха выбросами вредных веществ из непрерывно действующих источников определяется по наибольшему рассчитанному значению разовой приземной концентрации вредных веществ (См), которая устанавливается на некотором расстоянии (хм,) от места выброса при неблагоприятных метеорологических условиях, когда скорость ветра достигает опасного значения (Vм), и в приземном слое происходит интенсивный турбулентный обмен. Модель позволяет рассчитывать поле разовых максимальных концентраций примеси на уровне земли при выбросе из одиночного источника и группы источников, при нагретых и холодных выбросах, а также дает возможность одновременно учесть действие разнородных источников и рассчитать суммарное загрязнение атмосферы от совокупности выбросов стационарных и передвижных источников.

Алгоритм и порядок проведения расчетов полей максимальных концентраций изложены в "Методике расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД - 86"   и в соответствующих инструкциях к программам расчетов.

В результате проведенных расчетов на ЭВМ получаются:

• максимальные концентрации примесей в узлах расчетной сетки, мг/м3;
• максимальные приземные концентрации (См) и расстояния, на которых они достигаются (Хм), для источников выбросов вредных веществ;
• доля вклада основных источников выбросов в узлах расчетной сетки;
• карты загрязнения атмосферного воздуха (в долях ПДКмр);
• распечатка входных данных об источниках загрязнения, метеорологических параметрах, физико-географических особенностях местности;
• перечень источников, дающих наибольший вклад в уровень загрязнения атмосферного воздуха;
• другие данные [5].

Результаты моделирования широко используются для изучения распространения примесей в атмосфере и для расчета загрязнения воздуха в городах и промышленных районах. На их основе осуществляется выбор мест строительства предприятий, рациональное размещение производственных и жилых сооружений, нормирование вредных выбросов в целях обеспечения необходимых гигиенических и экологических условий. С этой целью в государственном порядке утверждаются соответствующие нормативные документы [7, с.4].

2.9.Прогноз загрязнения атмосферы

В связи с высокой насыщенностью городов источниками загрязнения, уровень загрязнения атмосферного воздуха в них, как правило, существенно выше, чем в пригородах и тем более в сельской местности. В отдельные периоды, неблагоприятные для рассеяния выбросов, концентрации вредных веществ могут сильно возрасти относительно среднего и фонового городского загрязнения. Частота и продолжительность периодов высокого загрязнения атмосферного воздуха будут зависеть от режима выбросов вредных веществ (разовых, аварийных и др.), а также от характера и продолжительности метеоусловий, способствующих повышению концентрации примесей в приземном слое воздуха.  

Во избежание повышения уровней загрязнения атмосферного воздуха при неблагоприятных для рассеяния вредных веществ метеорологических условиях необходимо прогнозировать и учитывать эти условия. В настоящее время установлены факторы, определяющие изменение концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе при изменении метеорологических условий.

Прогнозы неблагоприятных метеорологических условий могут составляться как для города в целом, так и для групп источников или отдельных источников. Обычно выделяются три основных типа источников: высокие с горячими (теплыми) выбросами, высокие с холодными выбросами и низкие. Для указанных источников выбросов аномально неблагоприятные условия рассеяния примесей приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6.Комплексы неблагоприятных метеорологических условий для источников разных типов

 

В дополнение к комплексам неблагоприятных метеоусловий, приведенным в таблице 2.6. можно добавить следующее:

Для высоких источников с горячими (теплыми) выбросами:

• высота слоя перемешивания меньше 500 м, но больше эффективной высоты источника;
• скорость ветра на высоте источника близка к опасной скорости ветра;
• наличие тумана и скорость ветра больше 2 м/с.

Для высоких источников с холодными выбросами: наличие тумана и штиль.

Для низких источников выбросов: сочетание штиля и приземной инверсии.

Следует также иметь в виду, что при переносе примесей в районы плотной застройки или в условиях сложного рельефа, концентрации могут повышаться в несколько раз.

Для характеристики загрязнения атмосферного воздуха по городу в целом, т.е. для фоновой характеристики, в качестве обобщенного показателя используется параметр Р:

(2.5.)

где N - число наблюдений за концентрацией примеси в городе в течение одного дня на всех стационарных постах;

 М - количество наблюдений в течении того же дня с повышенной концентрацией примеси, превышающей среднее сезонное значение, более чем в 1,5 раза.

Параметр Р рассчитывается для каждого дня, как по отдельным примесям, так и по всем вместе. Этот параметр является относительной характеристикой, и его значение определяется главным образом метеорологическими факторами, оказывающими влияние на состояние атмосферного воздуха по всей территории города.

Использование при прогнозе параметра Р в качестве характеристики загрязнения воздуха по городу в целом (предиктанта) предусматривает выделение трех групп загрязнения воздуха, определяемых характеристиками, приведенными в таблице 2.4.
 

Таблица 2.7.

 

В целях предотвращения чрезвычайно высоких уровней загрязнения, из первой группы выделяется подгруппа градаций с Р > 0,5, повторяемость которой составляет 1 - 2%.

Методика предсказания вероятного роста концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе города предусматривает использование прогностической схемы загрязнения воздуха, которая разрабатывается для каждого города на основании опыта многолетних наблюдений за состоянием его атмосферы. Рассмотрим общие принципы построения прогностических схем.

Прогностические схемы загрязнения воздуха в городе должны разрабатываться для каждого сезона года и каждой половины дня отдельно. При скользящем графике отбора проб воздуха к первой половине дня относятся сроки отбора проб в 7, 10 и 13 ч. а ко второй - в 15, 18 и 21 ч. При трехразовом отборе проб к первой половине дня относят сроки отбора проб в 7 и 13 ч, а ко второй - в 13 и 19 ч.

Метеорологические предикторы для первой половины дня берутся за срок 6 ч., а данные радиозондирования - за срок 3 ч. Для второй половины дня в качестве предикторов принимаются метеоэлементы за срок 15 ч. Характеристики метеорологических условий и предикторов, а также их порядок использования в прогнозах детально изложены в "Методических указаниях по прогнозу загрязнения воздуха в городах".

Оперативное прогнозирование загрязнения атмосферного воздуха проводится с целью кратковременного сокращения выбросов вредных веществ в атмосферный воздух в периоды неблагоприятных метеорологических условий.

Обычно составляются два вида прогноза загрязнения атмосферного воздуха по городу: предварительный (на сутки вперед) и уточненный (на 6 -   8 ч вперед, в том числе утром на текущий день, днем на вечер и на ночь) [5].

3.ОПТИМИЗАЦИЯ СЕТИ НАБЛЮДЕНИЙ И КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Сеть наблюдений и контроля загрязнения атмосферного воздуха является в настоящем и будущем единственным экспериментальным средством оценки состояния загрязнения атмосферного воздуха и применимости математических моделей рассеяния примесей в атмосфере.

Общими задачами сети являются:

• повышение эффективности, качества, надежности и достоверности данных наблюдений;
• внедрение новых методов многокомпонентного анализа примесей в атмосферном воздухе и в отходящих газах:
  • достижение оптимального соотношения используемых в различных городах и населенных пунктах методов ручного отбора и анализа проб воздуха и полуавтоматических методов, повышение автоматизации средств измерений; 
  • повышение оперативности сбора, обработки, передачи и использования данных наблюдений в задачах контроля и регулирования уровней загрязнения атмосферного воздуха; 
  • установление тенденций и причин изменения уровней загрязнения атмосферного воздуха. 

Оптимальным может быть вариант совмещения задач исследования характера и причин изменения уровней загрязнения атмосферного воздуха. Однако существующая сеть наблюдений в силу различных причин не способна выполнить эти условия. Поэтому для совершенствования организации наблюдений состояния атмосферного воздуха и контроля выбросов должны использоваться методы математического моделирования, оценки загрязнения снежного покрова, аэрокосмические и лазерные дистанционные методы. 

Наземные посты наблюдений должны оборудоваться современными высокочувствительными и селективными приборами и системами оценки качества атмосферного воздуха в реальном масштабе времени. С учетом данных комплексного обследования состояния загрязнения атмосферного воздуха на территории города или населенного пункта должна разрабатываться программа оптимизации сети наблюдений. Немаловажными являются выборка и статистическая обработка данных экспериментальных наблюдений [5].

Заключение

Целесообразность и направленность технологических и организационных мероприятий по предотвращению выбросов и улучшению экологической обстановки определяется результатами наблюдений за средой и выбросами в нее. Совершенство системы наблюдений обеспечивает эффективность применения технологических мероприятий к тем или иным производствам.

Таким образом, развитая система мониторинга окружающей среды дает возможность получать достаточно полную информацию о состоянии окружающей среды  и источников выбросов в режиме реального времени.

Следует уделять особое внимание развитию методов мониторинга воздушного бассейна, что в дальнейшем позволит спрогнозировать возможное ухудшение экологической ситуации и, следовательно, разработать упреждающие меры или методы ликвидации возможных последствий.

Наконец, хотелось бы отметить важность мониторинга воздушного бассейна в связи с тем, что воздух  едва ли не единственная среда с которой человеческий организм находится в постоянном контакте не зависимо от желания, многие загрязняющие вещества попадают в другие среды непосредственно через воздух. Поэтому помимо развития методов мониторинга, по-моему мнению, необходимо разрабатывать технологии, которые попросту не допустят попадания загрязнителей в природные объекты.

Список использованной литературы

1.Торочешников Н. С., Родионов А. И., Кельцев Н. В., Клушин В. Н. Техника защиты окружающей среды: Учебное пособие для вузов. – М.: Химия,1981. – 368 с., ил.;

2. Абросимов А. А. Экология переработки углеводородных систем: Учебник / Под ред. д-ра хим. наук, проф. М. Ю. Доломатова, д-ра техн. наук, проф. Э. Г. Теляшева. – М.: Химия,2002. – 608 с.: ил.;

3.Тарасова Н. П., Кузнецов В. А. Химия окружающей среды: атмосфера: учебное пособие для вузов: - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – 228 с.: ил.;

4. Купаев В.И., Калачева О.А., Семин А.В.и др. Методы и приборы контроля окружающей среды. Экологический мониторинг.: Учебное пособие. -  М.: РГОТУПС – 2003.

5. Афанасьева Н. А., Шантарин В. Д. Методические указания по курсу "Экологический мониторинг" для специальности 320700 - "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" для всех форм обучения. Тюмень, 2001.

6. Другов Ю. С., Беликов А. Б., Дьякова Г. А., Тульчинский В. М. Методы анализа загрязнений воздуха. – М.: Химия, 1984 – 384 с., ил.

7. Клименко Е. Т. Гауссовская математическая модель рассеяния вредных веществ в атмосфере: Методические указания к практическим занятиям в компьютерном классе по курсу «Применение ЭВМ в химической технологии и экологии». – М.: ГАНГ, 1998 г. – 26 с.