метод определения зон влияния точечных источников тяжелых

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОН ВЛИЯНИЯ ТОЧЕЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЯЖЕЛЫХ
МЕТАЛЛОВ С ПОМОЩЬЮ МХОВ-БИОМОНИТОРОВ (НА ПРИМЕРЕ ТЭЦ)
Н.К. Рыжакова, Е.А. Покровская
Томский политехнический университет
г. Томск, Россия
pokrelena@gmail.com
Аннотация. В работе изложен метод определения зон влияния точечных источников загрязнения
приземной атмосферы тяжелыми металлами и другими токсичными (на примере ТЭЦ-5 г. Новосибирска).
Метод основан на использовании эпифитного мха Пилезия многоцветковая и нейтронно-активационного
анализа. На исследуемой территории пробы мха отбирали на разных расстояниях от источника в определенном
направлении. Зона влияния точечного источника определена с помощью решения диффузионно-конвективного
уравнения переноса примеси в атмосферном воздухе.
Определение зоны влияния предприятий представляет значительный интерес для
оценок экологического воздействия на окружающую среду. Методы определения зоны
загрязнения от каких-либо источников развиты недостаточно, так как размеры зоны зависят
от климатологических и синоптических условий на изучаемой территории. Поэтому при
определении зоны влияния необходимо осреднять измеряемые концентрации вредных
веществ в воздухе за длительные периоды времени – месяцы и даже годы [1].
Одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха являются
теплоэлектроцентрали. Современная теплоэлектростанция мощностью 2,4 млн кВт
расходует в сутки до 20 тыс. т угля и выбрасывает в атмосферу за это время 680 т S02 и S03,
120— 140 т твердых частиц (зола, пыль, сажа), 200 т оксидов азота. При этом аэрозольные
частицы содержат тяжелые металлы и другие токсичные элементы, которые даже в малых
количествах могут причинить существенный вред здоровью.
Поиск и разработка надежных методов контроля содержания тяжелых металлов в
атмосферных аэрозолях представляют собой сложную задачу. Существующие
инструментальные методы определения химического загрязнения атмосферного воздуха,
основанные на использовании воздушных фильтров, позволяют произвести локальные
измерения за короткие промежутки времени от нескольких минут до нескольких суток.
Такие измерения дают, как правило, несопоставимые результаты [1] и не позволяют оценить
средние уровни загрязнения. Более длительная экспозиция имеет место при контроле
содержания химических элементов в воздухе с помощью анализа осадков, например,
снегового покрова. Однако пробоотбор и пробоподготовка осадков являются трудоемкими
процессами, что не позволяет производить исследования на достаточно больших
территориях.
Рисунок 1. Карта точек пробоотбора вблизи ТЭЦ-5 г.Новосибирск
285
Томским политехническим университетом запатентован метод контроля загрязнения
атмосферного воздуха тяжелыми металлами и другими токсичными элементами с помощью
эпифитных мхов, обитающих на коре деревьев (например, осин и тополей) [2]. Эпифитные
мхи широко распространены в природе, имеют продолжительный жизненный цикл,
обладают высокой аккумуляционной способностью и могут быть отобраны на
урбанизированных территориях.
Целью данного исследования является определение зоны влияния точечного
источкника с помощью эпифитного мха Пилезия многоцветковая (Pylaisia polyantha (Hedw.)
В. S. G.) на примере ТЭЦ-5 г. Новосибирска.
Мох отбирали в зоне влияния ТЭЦ-5 г. Новосибирска в соответствии с розой ветров
в северо-восточном направлении на расстояниях от одного до пяти километров (рис. 1).
Трехлетний прирост мха отбирали с коры берез и тополей на высоте примерно 1,5-2 метра от
земли, что соответствует слою воздуха, которым дышит взрослый человек. Пробы,
необходимые для получения фоновых значений, были отобраны в ХМАО на расстоянии,
значительно удалённом от основных населённых пунктов и предприятий. Пробоподготовку
осуществляли в соответствии с разработанной на кафедре ПФ ТПУ методикой [3].
Определение содержания химических элементов в пробах мха производили нейтронноактивационным методом на исследовательском реакторе ИРТ-Т ТПУ. В ходе исследования
подготовлено и измерено 38 проб мха, в которых определено содержание следующих 24
элементов: Sm, Mo, Ce, Ca, Lu, Tb, Th, Cr, Yb, Hf, Ba, Sr, Nd, Br, As, Cs, Rb, Fe, Zn, Sc, Co, U,
Eu, Sb. Погрешность измерения концентраций составила 10-15%.
Строго говоря, выбросы в атмосферу осуществляются от объемных источников.
Однако размеры источников, как правило, малы по сравнению с расстояниями, на которых
исследуется создаваемое ими поле концентрации. Поэтому при постановке граничных
условий источник загрязнения принимается за точечный.
Для определения зоны влияния точечных источников использован метод
математического моделирования. Моделирование переноса загрязняющих примесей в
атмосферном воздухе осуществлено на основе диффузионно-конвективного уравнения,
которое для средних значений концентраций примеси q в заданном направлении x при
длительных периодах экспозиции имеет вид [4]:
(1)
Здесь ось x расположена в горизонтальной плоскости и направлена по ветру, ось z –
по вертикали; t – время; u,
w –средние скорости перемещения примеси за счет
конвективного переноса соответственно по направлению осей x, z; kz – вертикальная
составляющая коэффициента диффузионного обмена.
Граничные условия для точечного источника, расположенного в точке x=0, y=0 и z=H
(Н – высота трубы) записывают в виде: uq M ( x) y z H , где М – выброс вещества от
источника в единицу времени. На бесконечном удалении концентрация убывает до нуля.
При расчете средней концентрации в приземном слое атмосферы определяющее
значение имеют часто встречающиеся метеорологические условия. К ним относятся так
называемые нормальные метеоусловия, для которых используется степенная аппроксимация
скорости ветра и коэффициента вертикального турбулентного обмена [4]. При данных
предположениях с учетом фоновых концентраций qф аналитическое решение уравнения (1)
выглядит следующим образом [4, 5]:
,
(2)
где θ1, θ2, θ3 – параметры, зависящие от мощности источника М, скорости перемещения u по
оси х, коэффициента вертикальной диффузии kz, состояния атмосферы (температурного
градиента), зависимости скорости ветра от высоты, дисперсности примеси.
Строгое определение параметров θ1, θ2, θ3 невозможно в силу сложного характера
атмосферных процессов, обуславливающих перенос загрязняющих примесей в атмосфере.
Однако если рассматривать эти параметры как феноменологические, то их можно
286
определить путем аппроксимации измеренных концентраций функцией вида (2) методом
наименьших квадратов. Точность аппроксимации возрастает, если при этом задать
диапазоны изменения параметров, полученных на основе соответствующих оценок. Проще
всего это сделать для параметра θ3, так как он определятся, в основном, высотой источника
H [5]. Оценка параметра θ3, проведенная для различных атмосферных условий, показала, что
применительно к трубе ТЭЦ-5 высотой 260 м диапазон изменения этого параметра
составляет от 5 до 8 км.
В результате анализа измеренных концентраций выявлено, что содержание
химических элементов во мхах, отобранных на расстояниях от 1 до 5 км ТЭЦ, в несколько
раз и более превышают фоновые значения.
Рисунок 2. Распределение концентрации Sc и Ba в зоне влияния ТЭЦ-5
Для определения элементов, выброс в атмосферу которых обусловлен ТЭЦ, проведен
корреляционный анализ содержания химических элементов во мхах с помощью
коэффициента Пирсона. На основе анализа и проверки на значимость коэффициентов
корреляции методом t-критерия выявлены группы элементов, для которых коэффициенты
корреляции являются значимыми: Th, Cr, Co, Sc, Yb, Nd, Lu, Cs, Ba, Ca, As, Fe, Ce, Sb.
Математическая обработка концентраций, проведенная для этих элементов показала,
что их распределение в зависимости от расстояния можно описать кривой вида (2) (рис. 2),
что также свидетельствуеет об идентичности источника выбросов данных элементов в
атмосферу. Максимальные значения концентраций наблюдаются на расстояниях xmax,
приблизительно равных 2-4 км, что хорошо согласуется с известными в литературе оценками
xmax≈(10-20)Н [1]. Распределение концентраций химических элементов вдоль других 7
направлений получено путем умножения полученной функции распределения концентрации
химических элементов в северо-восточном направлении на относительную вероятность
соответствующего направления ветра (рис. 3).
Если под зоной влияния понимать расстояния, на которых концентрация убывает до
фоновых значений, то в северо-восточном направлении она простирается на расстояния
приблизительно от 8 (Cr) до 20 (Eu) км, в противоположном направлении – не более 10 км. В
соответствии с видом функции (2) положение максимума и соответствующие значения
концентраций однозначно определяют распределение химических элементов на больших
расстояниях. Поэтому для получения наиболее достоверных оценок зоны влияния точечного
источника пробы мха на расстояниях х≈(10-20)Н рекомендуется отбирать с шагом порядка
Н. Заметим, что согласно СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 санитарно-защитная зона для ТЭЦ,
использующих в качестве топлива уголь и мазут, должна быть не менее 1000 м, что, как
видно из данного исследования, является недостаточным.
287
Зона распространения
Fe, км
N
Зона распространения
Cr, км
N
NW
W
8
7
6
5
4
3
2
1
0
12
NE
NW
10
NE
8
6
4
2
E
SW
W
E
0
SE
SW
SE
S
S
Рисунок 3. Зона распространения Сr и Fe в области влияния ТЭЦ-5
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
•
Метод мхов-биомониторов может быть использован для оценки зоны влияния
точечных источников загрязнения атмосферного воздуха.
•
Зона влияния ТЭЦ-5 с высотой трубы Н=260 м по преимущественной розе ветров для
различных химических элементов простирается на расстояния от 8 до 20 км, в
противоположном направлении – не более 10 км.
•
При определении зоны влияния точечного источника загрязнения атмосферного
воздуха методом мхов-биомониторов пробы мха необходимо отбирать в в одном из
основных направлений от источника загрязнения.
•
В области максимума функции, т.е. на расстояниях х≈(10-20)Н, пробы рекомендуется
отбирать с шагом порядка Н.
Список литературы:
1. Мониторинг загрязнения снежного покрова / В. Н. Василенко, И. М. Назаров, Ш. Д.
Фридман. — Л. : Гидрометеоиздат, 1985. — 181 с.
2. Рыжакова Н.К., Борисенко А.Л., Меркулов В.Г., Рогова Н.С. Контроль состояния
атмосферы с помощью мхов-биоиндикаторов //Оптика атмосферы и океана, 2009 – т.
22, – №1. с. 101 – 104.
3. Название изобретения: пат. №2463584 от 10 октября 2012 г. «Способ оценки
загрязнения атмосферного воздуха тяжелыми металлами и другими химическими
элементами с помощью эпифитных мхов».
4. Берлянд М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения
атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.
5. Гусев Н. Г., Беляев В. А. Радиоактивные выбросы в биосфере: справочник— 2-е изд.,
перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 256 с.
288